Modellazione FE della colonna vertebrale: impatto di diversi approcci di modellazione del disco intervertebrale sull'accuratezza predittiva = FE modelling of the spine: impact of different intervertebral disc modelling approaches on the predictive accuracy

Le fratture vertebrali rappresentano ad oggi una problematica in forte crescita. Le cause di tale fenomeno risiedono nello sviluppo di osteoporosi o di metastasi ossee, le quali comportano un progressivo aumento della fragilità scheletrica. Pur essendo un rilevante problema clinico, attualmente non esiste uno strumento che permetta di predire con sufficiente accuratezza il rischio di frattura vertebrale. In questo contesto, i modelli agli Elementi Finiti (FE) offrono la possibilità di superare tali limitazioni permettendo di analizzare nel dettaglio e in condizioni realistiche la biomeccanica vertebrale e discale. Tuttavia, la loro affidabilità dipende da una descrizione accurata della geometria, da una corretta definizione delle proprietà dei tessuti e da una solida validazione su dati sperimentali. Ciò è particolarmente critico per il disco intervertebrale, la cui modellazione risulta complicata poiché i tessuti molli sono scarsamente caratterizzabili dalle comuni tecniche di imaging. Lo scopo del presente lavoro di tesi è stato quello di ottimizzare un modello FE preesistente di un segmento toraco-lombare soggetto-specifico e confrontarne i risultati con i dati sperimentali. Il modello di partenza è stato ottenuto segmentando le immagini di tomografia computerizzata (TC) di un provino cadaverico e ricostruendo le parti solide tramite elementi tetraedrici per le vertebre ed esaedrici per i dischi intervertebrali. In questo studio, alle vertebre sono state assegnate proprietà elastiche trasversalmente isotrope ottenute da una mappatura basata sui valori di Hounsfield Unit delle immagini TC del segmento reale, distinguendo tra componente corticale e trabecolare dell’osso. Relativamente al disco intervertebrale, sono stati ridefiniti i volumi interni sulla base di ipotesi geometriche, mantenendo l’utilizzo di elementi esaedrici. Sono stati implementati tre diversi modelli iperelastici anisotropi per l’anello fibroso e due strategie di rappresentazione del nucleo polposo, basate rispettivamente su pressione uniforme e cavità fluida, considerando parametri corrispondenti sia a condizioni fisiologiche sia a uno stato degenerativo. I 12 modelli implementati sono stati sottoposti a carichi e vincoli coerenti con quelli utilizzati nel test sperimentale di flesso-compressione precedentemente eseguito sul provino cadaverico. Le predizioni dei modelli in termini di spostamenti e deformazioni principali sulle superfici delle vertebre T11 e T12 sono poi state confrontate con gli output sperimentali ottenuti mediante un sistema di Digital Image Correlation (DIC). L’analisi dei risultati ha mostrato che le configurazioni con nucleo modellato come cavità fluida hanno fornito una migliore aderenza ai dati sperimentali rispetto ai modelli che sfruttano l’approccio a pressione uniforme, sia per gli spostamenti che per le deformazioni principali. Inoltre, tutti i 12 modelli hanno evidenziato, sugli spostamenti, un coefficiente di correlazione R^2>0.9. Nel complesso emerge come una modellazione più realistica del disco intervertebrale aumenti l’affidabilità dei modelli FE, rafforzandone l’uso per l’analisi biomeccanica e la valutazione del rischio di frattura.