Modellizzazione ad elementi flessibili in ambiente multibody: confronto con l’approccio ad elementi finiti e implementazione di stabilizzazioni spinali per chirurgia oncologica = Flexible elements in multibody modeling: comparison with FEM approach and design of spinal stabilization in oncologic surgery.

Attualmente, nel contesto delle stabilizzazioni spinali a seguito di decompressione chirurgica, è in corso un acceso dibattito circa la possibilità di utilizzare fissazioni corte rispetto a fissazione lunghe, ritenute ancora trattamento gold standard nonostante i severi effetti secondari che comportano. In questo frangente, per confrontare i due trattamenti, la modellazione multibody è in grado di studiare le due condizioni postoperatorie, stimando gli stress e i carichi interni che avvengono all’interno del costrutto attraverso la combinazione di elementi rigidi e flessibili. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di studiare l’affidabilità degli stress ottenuti su corpi flessibili da simulazione dinamica multibody (MB) confrontando i risultati ottenuti con la modellazione ad elementi finiti (FEM) e verificare l’effetto della lunghezza di fissazione sugli stress in gioco lungo gli elementi di fissazione. Prima di studiare un modello complesso di rachide lombare instrumentato, dove le reazioni applicate alle fissazioni risultano essere complesse, si è partiti da una verifica analitico-computazionale di uno scenario semplificativo quale cilindro vincolato ad un estremo e sottoposto a trazione. Una volta verificata la corrispondenza tra i due approcci, si è passati ad un sistema multibody della porzione lombare del rachide e dei livelli intervertebrali adiacenti (da T12 a S1) sottoposto a decompressione spinale e instrumentato con fissazioni corta e lunga, sottoforma di elementi cilindrici flessibili in CFR-PEEK, incastrati alle vertebre L2 e L4 nel caso di barre corte e L1, L2, L4, L5 nel caso di barre lunghe. Sono stati effettuati test in flessione, estensione, flessione laterale e rotazione assiale sia applicando un momento angolare puro di pari valore assoluto sia applicando il medesimo range of motion (ROM) nei diversi casi e con le due diverse barre e valutando, poi, gli stress risultanti sulle barre e gli spostamenti lineari e angolari agli ancoraggi tra barre e vertebre. Questi ultimi spostamenti sono stati inseriti come input nell’analisi agli elementi finiti e sono stati valutati gli stress di Von Mises ottenuti. L’analisi multi-body ha fornito risultati in termini di stress in linea con quelli ottenuti dall'analisi FEM in quasi tutti i casi. Nelle simulazioni inerenti alla barra lunga con errori percentuali inferiori allo 0.1%, nel caso di flessione, estensione e rotazione assiale con barra corta inferiori al 4/5%. Il caso della flessione laterale con barra corta ha invece ottenuto risultati dall’analisi multibody maggiori rispetto quelli ottenuti tramite analisi agli elementi finiti. Quindi con modelli più complessi l’analisi agli elementi finiti produce risultati uguali in termini di distribuzione degli stress sul corpo flessibile ma che possono differire da quelli ottenuti tramite analisi multibody in valore assoluto. In particolare, nel caso di barre lunghe e vincolate fino alle estremità con quattro fissazioni, gli esiti del confronto coincidono tra i due modelli in analisi. Nel caso di barre corte con due regioni vincolate non alle estremità della barra i risultati ottenuti dal confronto tra gli stress ottenuti da analisi MB e FEM dipendono dalle deformazioni lineari ed angolari che la barra subisce.