Creazione di un modello a elementi finiti paziente-specifico di un tratto di rachide: effetti della degenerazione del nucleo polposo e confronto tra mesh tetraedica ed esaedrica per il disco

L’analisi agli elementi finiti (FEM) è uno strumento fondamentale in ambito biomeccanico, utilizzato per simulare il comportamento meccanico di strutture biologiche sotto vari carichi. In particolare, il FEM è utilizzato per lo studio della colonna vertebrale, contribuendo alla comprensione della biomeccanica del rachide, alla valutazione del rischio di fratture e all’ottimizzazione di interventi chirurgici e dispositivi ortopedici. I modelli FEM possono essere implementati per rappresentare condizioni patologiche specifiche, come la degenerazione del disco intervertebrale, causa comune di dolore lombare e aumento del rischio di fratture. Il presente lavoro di tesi si focalizza sulla creazione di un modello a elementi finiti della colonna vertebrale paziente-specifico, con particolare attenzione al ruolo del disco intervertebrale e alla degenerazione del nucleo polposo. Sono stati sviluppati due modelli del tratto spinale L1-T9, con dischi intervertebrali modellati in modi diversi: uno con elementi esaedrici e l’altro con elementi tetraedrici. Inoltre, sono state condotte simulazioni rimuovendo il nucleo dai dischi per valutare l’impatto di questa modifica sul comportamento biomeccanico del rachide. I modelli sono stati creati a partire da immagini cliniche paziente-specifiche ottenute da tomografia computerizzata (TC) e risonanza magnetica (MRI). Il tratto analizzato comprende la vertebra lombare L1 e le vertebre toraciche T12, T11, T10 e T9. Le immagini TC, che offrono un elevato contrasto per le strutture ossee, sono state impiegate per la segmentazione delle vertebre, mentre le immagini MRI hanno permesso di segmentare dettagliatamente il nucleus polposus e l’anulus fibrosus. È stato effettuato un allineamento delle immagini TC e MRI per combinare le informazioni anatomiche in un ambiente tridimensionale coerente. Grazie alle segmentazioni effettuate, è stato possibile estrarre le geometrie dei corpi e dischi intervertebrali, necessarie alla generazione delle mesh degli stessi e, quindi, dei modelli FE. Successivamente, le proprietà meccaniche dei corpi vertebrali sono state assegnate utilizzando dati densitometrici delle immagini TC. I dischi intervertebrali sono stati modellati basandosi su dati di letteratura: l’anulus fibrosus come materiale iperelastico anisotropo (formulazione Gasser-Ogden-Holzapfel) e il nucleus pulposus come materiale elastico lineare isotropo quasi incomprimibile. Sono state eseguite analisi statiche per ogni modello, applicando condizioni al contorno alle vertebre T9 e L1 analoghe per i diversi modelli, simulando una condizione di flesso-compressione. I confronti hanno riguardato spostamenti e deformazioni sulla superficie delle vertebre centrali T10, T11, T12, con l’obiettivo di valutare le variazioni imposte dalla rimozione del nucleo ma anche se l’utilizzo di una più versatile mesh tetraedrica per il disco apportasse variazioni rispetto alla mesh esaedrica.