Implementazione di un protocollo sperimentale per determinare la risposta a carichi compressivi di corpi vertebrali. = Implementation of an experimental protocol to determine the response to compressive loads of vertebral bodies.

La colonna vertebrale rappresenta la sede principale delle lesioni metastatiche scheletriche. Tipicamente, questo tipo di lesioni si sviluppa a partire da tumori primari che colpiscono polmone, mammella e prostata. Diffondendo nella colonna, le metastasi causano riduzione della matrice ossea e maggiore presenza di discontinuità strutturali, con conseguente indebolimento del tessuto osseo. Il progetto qSINS, ideato dall’Istituto Ortopedico Rizzoli, mira allo sviluppo di modelli computazionali per la predizione del rischio di collasso vertebrale personalizzato sul singolo paziente, informazione che può risultare utile al personale clinico per valutare la necessità di un trattamento chirurgico. Tali modelli numerici devono essere validati per verificare l’accuratezza delle predizioni, sia nel campo degli spostamenti che delle deformazioni del tessuto osseo quando la vertebra è sollecitata dai normali carichi fisiologici. Il mio lavoro, svolto presso il Laboratorio di Tecnologia Medica, si inserisce nella parte sperimentale del progetto qSINS con lo scopo di implementare un protocollo per la caratterizzazione meccanica di corpi vertebrali ed ottenere informazioni e dati fondamentali per validare le predizioni dei modelli computazionali personalizzati sul paziente. Il modello sperimentale deve permettere la caratterizzazione dei corpi vertebrali integri, ovvero con entrambi i piatti vertebrali, garantendo un’applicazione omogenea del carico su uno dei due piatti vertebrali e contestualmente vincolare l’altro con un vincolo rigido e congruente alla sua superficie per ottenere un incastro perfetto. Quest’ultimo vincolo è stato ottenuto utilizzando una lega bassofondente che, una volta solidificata, assicura un’interfaccia rigida e congruente alla superficie del piatto vertebrale. Inizialmente la lega è stata caratterizzata meccanicamente misurando sperimentalmente il modulo di Young. Successivamente è stato progettato i) il vincolo inferiore per consentire di contenere la lega fusa in cui vincolare l’estremità del piatto vertebrale e ii) un sistema di supporto che consente di mantenere il corpo vertebrale orientato nello spazio nella posizione desiderata mentre viene posizionata nella lega allo stato fuso. Definiti tutti i passi del protocollo di prova, è stato condotto uno studio pilota su una vertebra toracica privata dei processi posteriori per verificarne la fattibilità. La sessione sperimentale è consistita nell’esecuzione di prove ripetute sia sul corpo vertebrale intatto che lesionato per simulare la presenza di lesioni metastatiche. Sono stati acquisiti gli spostamenti e le deformazioni superficiali sui due aspetti laterali della vertebra, oltre che il monitoraggio del cedimento del piatto vertebrale caudale in conseguenza dell’applicazione del carico tramite un trasduttore di posizione. Lo studio pilota ha confermato la fattibilità del protocollo proposto. I dati ottenuti sono risultati coerenti con quanto atteso poiché è stato osservato un campo di spostamenti verticali il cui modulo aumenta progressivamente con la distanza dalla superficie vincolata. Il campo di deformazioni appare relativamente omogeneo nella porzione centrale della superficie osservata con CoV dell’ordine del 20%. La realizzazione del difetto osso realizzato per simulare la lesione metastatica impatta sulla risposta del corpo vertebrale. L’approfondimento di tale effetto sarà l’obiettivo della prossima fase del progetto in corso che sarà condotto seguendo il protocollo sperimentale descritto nella presente tesi.