Implementazione degli esiti post-operatori della fissazione e intuizioni biomeccaniche: un'indagine multiscala = Implementation of postoperative outcomes from fixation and biomechanical insights: a multiscale investigation

La colonna vertebrale è uno dei siti preferenziali per la formazione di metastasi tumorali, le quali potrebbero provocare la compressione del midollo spinale, con gravi conseguenze per la stabilità e la funzionalità del rachide. Attualmente, la strategia chirurgica più utilizzata per far fronte a queste complicanze consiste in una decompressione del canale spinale, seguita da una procedura di fissazione, configurata come lunga (quattro livelli spinali) o corta (due livelli spinali). La fissazione lunga offre grande stabilità alla colonna ma richiede un ampio accesso chirurgico, aumentando il rischio di complicanze; la fissazione corta riduce i rischi intraoperatori, ma potrebbe non garantire una stabilità sufficiente. L’obiettivo principale di questo studio è quello di creare un modello computazionale di colonna vertebrale paziente-specifico che possa permettere una valutazione quantitativa delle due tecniche chirurgiche citate, attraverso l’utilizzo combinato di modelli multi-body e di analisi FEM. Questa integrazione consente di sfruttare i punti di forza di entrambi i metodi: l’analisi multi-body permette di simulare il comportamento globale della colonna durante i movimenti, mentre quella FEM permette di concentrarsi maggiormente sulle sollecitazioni presenti all’interfaccia tra la vertebra e le viti. Seguendo un approccio unidirezionale, si utilizza il modello multi-body per estrarre i casi di carico specifici da dare in input all’analisi FEM, per migliorare l’accuratezza dei risultati. Si è realizzato un modello multi-body della colonna basato su immagini TAC del paziente, che comprende le vertebre della zona lombare, dalla T12 al sacro. Tra le strutture ossee si frappongono i dischi intervertebrali, modellizzati tramite bushing posizionati nei centri di istantanea rotazione di flesso-estensione e calcolati per ciascun livello vertebrale sulla base di dati sperimentali riportati in letteratura. Per valutare gli outcome post-operatori, sono stati modellati i due tipi di fissaggio utilizzando viti inserite nel corpo vertebrale e barre peduncolari. Sono stati simulati movimenti di flessione del rachide, applicando un momento puro alla vertebra più craniale, la T12, e vincolando il sacro in modo da raggiungere un ROM di 15° per il costrutto lungo e di 8° per quello corto. Durante la flessione, nelle viti situate in posizione craniale si sono generate forze di ‘pullout. I risultati numerici, valutati a parità di ROM, hanno evidenziato un’importante influenza della lunghezza del costrutto: nel fissaggio lungo le forze generate risultano di quasi cinque volte maggiori rispetto a quelle del fissaggio corto. Questa analisi ha quindi permesso di valutare il comportamento biomeccanico della colonna nel suo complesso e di poter identificare le vertebre più soggette a sollecitazioni. Le vertebre selezionate sono la L4 e la L5 per il costrutto lungo e la sola L4 per quello corto. È stato poi realizzato un modello ad elementi finiti del sistema vertebra-vite peduncolare per valutare gli stress presenti all’interfaccia. Il fine ultimo di questo studio è sviluppare una pipeline multiscala che integri modelli multi-body e FEM per la valutazione paziente-specifica delle sollecitazioni meccaniche e delle forze distribuite lungo la colonna vertebrale. Questo approccio permette di ottenere risultati utili per la scelta della tecnica chirurgica più adatta alle esigenze del paziente che si sta trattando per ridurre al minimo i rischi post-operatori.