Sviluppo di algoritmi per la generazione automatica di modelli numerici personalizzati di femore umano = Development of algorithms for the automatic generation of custom-made femoral numerical model.

In ambito biomeccanico, sono sempre più in fase di sviluppo tecniche computazionali di diversa natura per l’individuazione delle caratteristiche anatomiche e meccaniche dell’osso, dalla cui conoscenza è possibile prendere delle decisioni cliniche oppure realizzare dei modelli patient-specific nell’ambito della progettazione meccanica di componenti protesiche. L’obiettivo principale di questa tesi è lo sviluppo di un codice in linguaggio MATLAB per l’individuazione automatica di alcune caratteristiche anatomiche del femore e per la realizzazione della mesh da esportare in software dedicati per condurre analisi meccaniche. La peculiarità di questi algoritmi consiste nell’automatizzare l’elaborazione di un qualsiasi femore umano. Nella prima parte sono state sviluppate delle funzioni applicate ad un modello di femore umano in formato STL per identificare i principali punti di repere presenti in letteratura ortopedica e per il tracciamento automatico di una terna locale di riferimento avente origine sul centro della testa del femore utile per descrivere i carichi meccanici ai quali l’osso è sottoposto quotidianamente. Sulla conoscenza di tali punti sono state individuate con un nuovo algoritmo le coordinate delle inserzioni femorali di tre principali gruppi muscolari che svolgono un ruolo principale nella maggior parte dei movimenti giornalieri, ovvero i muscoli abduttori, il Tensor Fascia Lata, il Vastus Lateralis ed il Vastus Medialis. La necessità di avere questi punti è legata alla creazione di un modello il più dettagliato possibile del femore del soggetto, in modo da condurre analisi successive con un modello personalizzato dell’osso del paziente. Nella seconda parte sono stati sviluppati degli algoritmi per la realizzazione della mesh volumetrica dello stesso modello di femore ed in seguito è stata valutata la qualità degli elementi generati. Per simulare l’effetto della frattura del femore, evento molto comune soprattutto nei soggetti più anziani, è stato sviluppato un codice che consente, a discrezione dell’utente, di creare una rima di frattura sulla diafisi femorale e considerarne l’effetto in analisi successive. Infine, per verificare il corretto funzionamento degli algoritmi sviluppati, sono state condotte alcune analisi agli elementi finiti (FE) tramite il software Abaqus a partire dalle mesh realizzate. I risultati delle simulazioni svolte sono stati confrontati con quelli di modelli presenti in letteratura: dal confronto dei risultati è stato possibile validare il modello realizzato.