Sviluppo di un modello agli elementi finiti paziente-specifico di un segmento spinale e validazione attraverso la Digital Image Correlation = Development of a subject-specific finite element model of a spine segment and validation with Digital Image Correlation

Le fratture vertebrali sono un problema comune in pazienti affetti da osteoporosi o che presentano metastasi alla colonna vertebrale. Queste condizioni patologiche compromettono la biomeccanica della vertebra, indebolendo la struttura dell’osso e portando, in generale, ad un peggioramento della qualità della vita. Gli attuali metodi diagnostici non forniscono una valutazione accurata della stima del rischio di frattura: da qui l’importanza di introdurre un metodo che permetta di sviluppare, a partire dalle immagini tomografiche del paziente, un modello numerico paziente-specifico del tratto spinale che possa essere di supporto al clinico nella migliore scelta terapeutica da seguire. In letteratura sono stati proposti diversi studi in cui tramite le analisi FE si cerca di riprodurre la biomeccanica della vertebra e stimare il rischio di frattura. Tuttavia, la maggior parte si limita a modellare una singola vertebra, semplificando notevolmente la condizione di carico. In questo lavoro si è cercato di riprodurre una condizione più fisiologica utilizzando un provino costituito da tre vertebre toraciche consecutive e due dischi intervertebrali. Lo scopo è quindi quello di implementare un modello agli elementi finiti paziente-specifico di un tratto spinale a partire dalle sole immagini CT del paziente, e di validarne i risultati rispetto a dati sperimentali sullo stesso provino relativi a spostamenti e deformazioni locali rilevati tramite la tecnica non invasiva di Digital Image Correlation (DIC). Le immagini CT, che sarebbero disponibili in clinica, costringono ad una modellazione del disco intervertebrale e delle sue proprietà meccaniche estremamente semplificata, in quanto non ne viene presa in considerazione la sua reale composizione. Scopo di questo lavoro è quindi anche stato capire se tale tipo di modellazione potesse risultare adeguata. Attraverso una procedura di segmentazione delle immagini CT è stata ottenuta la geometria 3D del modello. La geometria è stata discretizzata con elementi tetraedrici e sono state assegnate proprietà meccaniche eterogenee secondo un modello lineare elastico. Sono state applicate specifiche condizioni al contorno al fine di replicare la procedura sperimentale e la condizione di carico applicata (carico fisiologico di pressoflessione). Ai fini della validazione gli spostamenti e le deformazioni ottenute dall’analisi FE sono stati confrontati puntualmente con quelli misurati sperimentalmente dalla DIC. Per il confronto degli spostamenti non sono stati considerati i risultati lungo la direzione medio – laterale a causa della scarsa accuratezza della DIC lungo tale direzione. Dal confronto è emerso un buon grado di accuratezza nella predizione degli spostamenti a livello delle vertebre (R2 > 0.9). Al contempo, i risultati ottenuti mostrano una scarsa accuratezza nella predizione delle deformazioni, che parrebbe dovuta alla semplificazione relativa alla modellazione delle proprietà meccaniche del disco intervertebrale. Emerge quindi la necessità di sviluppare un nuovo modello che permetta di riprodurre più fedelmente le proprietà meccaniche del disco.