Sviluppo di un modello agli elementi finiti patient-specific dell’articolazione del ginocchio per simulare l’intera fase di appoggio nel ciclo del passo = Development of a patient-specific finite element model of the knee joint to simulate the whole stance phase of a gait cycle

Questa tesi è stata sviluppata in collaborazione con l’Istituto Ortopedico Rizzoli di Bologna. È il proseguimento di un progetto di ricerca finalizzato alla creazione di un modello muscolo scheletrico patient-specific dell’articolazione di ginocchio. Lo scopo del lavoro di tesi è di creare un modello ad elementi finiti (di seguito FEM) patient-specific dell’articolazione di ginocchio in grado di simulare un intero ciclo di cammino, allo scopo di stimare le sollecitazioni sulle cartilagini femorale e tibiali, confrontandosi con i risultati ottenuti dai pochi altri gruppi di ricerca che hanno pubblicato modelli equivalenti. È stato individuato un modello di riferimento, sviluppato nel corso degli ultimi dieci anni dal gruppo di ricerca della University of Eastern Finland, ora utilizzato nello studio di casistiche cliniche. È stato quindi scelto come articolo di riferimento per la creazione del modello quello di Bolcos et al., 2018, ed è stato successivamente interpellato il primo autore per risolvere numerosi dubbi metodologici lasciati irrisolti nel testo. Gran parte del lavoro di tesi è quindi consistito nell’individuazione dei parametri del modello più critici per raggiungere la convergenza. Sono state eseguite circa 500 simulazioni, esaminando gli effetti che le modifiche apportavano ai risultati, confrontandoli con la schematizzazione fisica del problema, e ricavando indicazioni per affinare il modello. Il modello si compone di solidi ottenuti da segmentazione di immagini MRI effettuate su un soggetto sano (cortesia della Leuven University in Belgio). Le cartilagini tibiali, femorali ed i menischi sono modellate come parti tridimensionali, mentre i legamenti crociati ed i legamenti mediali come molle bilineari. Tutti i corpi tridimensionali hanno una mesh esaedrica mappata. Ai menischi è assegnato un materiale trasversalmente isotropo. Le cartilagini femorali sono modellate come trasversalmente isotrope e poroelastiche, con rapporto lineare tra permeabilità e frazione di vuoti. La simulazione è suddivisa in tre step: distacco e riposizionamento delle componenti femorali e tibiali sino a raggiungere il contatto, precarico, dinamica del passo. La tibia è bloccata con un incastro. Ad un nodo del femore (considerato come corpo rigido) posizionato nel punto medio tra gli epicondili (assimilabile al centro di rotazione) sono assegnate le curve cinematiche (rotazione nel piano di flesso-estensione ed intra extra rotazione) e dinamiche (forza assiale e forza antero posteriore), lasciando liberi tutti i moti di traslazione lungo gli assi principali e l’angolo di rotazione varo valgo. Questa formulazione mista dinamica e cinematica è mutuata dal modello di riferimento, che ne ha dimostrato l’equivalenza alla completa assegnazione della dinamica o della cinematica. Non avendo modellato l’articolazione femoro-rotulea, viene considerato il contributo del muscolo quadricipite durante il ciclo del passo come forzante antero posteriore. Al termine della ricerca, si può affermare che, per diversi motivi, la sola riproducibilità del modello rappresenta una sfida modellistica non banale. Si è riusciti a riprodurre un modello per simulazione FEM dell’intero ciclo del cammino e si è ottenuta la convergenza al variare di parametri sensibili come il pretensionamento dei legamenti, la durata della fase di appoggio e la permeabilità. Infine sono stati segnalati i parametri importanti da investigare ulteriormente per raggiungere la robustezza del modello