MODELLAZIONE AGLI ELEMENTI FINITI BASATA SU TC DEL FEMORE UMANO: CONFRONTO CON MISURAZIONI DI DEFORMAZIONE IN VITRO IN CONDIZIONI DI CARICO IN POSIZIONE ERETTA = CT-BASED FINITE ELEMENT MODELING OF THE HUMAN FEMUR: COMPARISON WITH IN-VITRO STRAIN MEASUREMENTS UNDER STANCE LOADING CONDITIONS

Tra le principali conseguenze dell’osteoporosi, che causa riduzione della massa ossea e deterioramento della microstruttura scheletrica, le fratture prossimali del femore rappresentano l’evento clinico più rilevante. Queste colpiscono la popolazione anziana spesso in seguito ad impatti a bassa energia. Attualmente in clinica l’identificazione dei soggetti a rischio avviene mediante densitometria ossea ed il calcolo della densità minerale (BMD) del soggetto, che ha però mostrato accuratezza limitata nella stima del reale rischio di frattura. A tal proposito, la modellazione agli elementi finiti soggetto-specifica (FE) si propone come strumento innovativo in grado di stimare la resistenza ossea in modo più accurato della sola densitometria, integrando variabili anatomiche e meccaniche del paziente e valutando il rischio di frattura in diverse condizioni di carico. Per garantirne l’affidabilità, è tuttavia fondamentale definire con precisione geometria, proprietà dei materiali e condizioni di vincolo e carico, oltre a validare i modelli mediante dati sperimentali ex vivo. Nel presente progetto di tesi si è replicato, tramite modellazione FE, un esperimento condotto su femori umani cadaverici, i quali sono stati vincolati sperimentalmente e caricati con una forza sulla testa femorale. I femori, precedentemente strumentati con 16 estensimetri triassiali, sono stati sottoposti a sei configurazioni di carico rappresentative del range fisiologico degli angoli massimi dell’anca. I modelli agli elementi finiti dei femori sono stati ricostruiti, a partire da immagini TAC e discretizzati mediante mesh tetraedrica a 10 nodi. Le simulazioni sono state condotte in Ansys Mechanical ADPL, dove sono state riprodotte le stesse condizioni sperimentali. Le deformazioni principali calcolate sono state mediate su una sfera di raggio 3 mm, centrata nei nodi in corrispondenza degli estensimetri. L’obiettivo del lavoro è stato quello di validare i modelli FE mediante il confronto tra le deformazioni principali sperimentali e le deformazioni principali ottenute dal modello. I risultati dei modelli FE confermano l’andamento delle deformazioni osservate sperimentalmente, evidenziando come testa e collo femorale siano le regioni più sollecitate. Le simulazioni hanno rilevato deformazioni in trazione (ε₁) prevalentemente nella porzione laterale, con picchi fino a 1705 µε, e deformazioni in compressione (ε₃) nella regione mediale, con valori massimi pari a 1675 µε, in valore assoluto. I modelli FE tendono tuttavia a sovrastimare i dati sperimentali, che presentano picchi di trazione e compressione rispettivamente pari a 708 µε e -814 µε, con un errore percentuale medio tra 32-285% per ε₁ e 18-250% per ε₃. Al contrario, l’errore mediano, più robusto ed accurato, mostra che nella maggior parte delle regioni femorali, le differenze di deformazione restano contenute (20–142% per ε₁, 15–127% per ε₃), con alcuni valori anomali legati a specifici femori e configurazioni. In conclusione, il modello risulta discretamente valido rispetto ai dati sperimentali, essendo in grado di replicare il comportamento fisiologico del femore. Per raffinare la validazione e supportare studi biomeccanici futuri, è possibile ottimizzare i vari passaggi della modellazione FE, con conseguente riduzione significativa degli errori.