SVILUPPO DI UN MODELLO AD ELEMENTI FINITI PAZIENTE-SPECIFICO DI UN SEGMENTO SPINALE A PARTIRE DA IMMAGINI TC E VALIDAZIONE ATTRAVERSO LA DIGITAL IMAGE CORRELATION = DEVELOPMENT OF A PATIENT-SPECIFIC FINITE ELEMENT MODEL OF A SPINAL SEGMENT FROM CT IMAGES AND VALIDATION THROUGH DIGITAL IMAGE CORRELATION

Il rischio di frattura vertebrale è una complicanza comune associata a diverse condizioni patologiche e fisiologiche, come le metastasi ossee, la degenerazione discale e il naturale processo di invecchiamento. Tradizionalmente, la valutazione del rischio è stata condotta utilizzando indici clinici generici o modelli basati su singole vertebre isolate. Tuttavia, tali approcci non sempre riescono a catturare adeguatamente le complesse interazioni biomeccaniche tra le vertebre adiacenti, compromettendo l'accuratezza della predizione. In questo contesto, i modelli ad elementi finiti (FE) multi-vertebrali offrono un potenziale significativo al miglioramento della capacità predittiva, consentendo una simulazione più dettagliata e realistica delle condizioni meccaniche a cui la colonna vertebrale è esposta, tenendo conto delle alterazioni strutturali indotte dalle patologie e dall'invecchiamento. Pertanto, lo scopo di questo lavoro è l’implementazione di un modello ad elementi finiti paziente-specifico di un tratto spinale toracico, ottenuto dalle immagini di tomografia computerizzata (TC) del paziente. Tuttavia, poiché le immagini TC disponibili in ambito clinico non catturano la composizione dettagliata del disco intervertebrale, si è resa necessaria una modellazione semplificata delle sue proprietà meccaniche e, specificatamente, questo lavoro ha indagato l’effetto dell’adozione di diverse leggi costitutive per il disco e della variazione del volume relativo occupato da nucleo polposo e anello fibroso. La geometria del modello è stata ricostruita tramite segmentazione delle immagini TC e la successiva discretizzazione è stata realizzata utilizzando elementi esaedrici per il disco intervertebrale ed elementi tetraedrici per le vertebre. Per riprodurre più fedelmente il comportamento biomeccanico, sono state assegnate proprietà meccaniche iperelastiche, anisotrope, comprimibili ed incomprimibili ai dischi intervertebrali, mentre proprietà elastiche isotrope e trasversalmente isotrope alle vertebre. Sono state assegnate specifiche condizioni al contorno per replicare la procedura sperimentale e la condizione di carico applicata. La validazione si è concentrata sull’analisi della corrispondenza puntuale tra i dati sperimentali rilevati sulle superfici delle vertebre, ottenuti tramite la tecnica non invasiva di Digital Image Correlation (DIC), e i risultati predetti dal modello, caratterizzati da leggi costitutive e composizioni volumetriche distinte, verificando l'accuratezza delle predizioni in termini di deformazioni, spostamenti e comportamento complessivo del segmento spinale in regioni specifiche di interesse, definite sulla porzione superficiale anteriore e laterale delle vertebre. Il confronto dei dodici modelli considerati, simulati in condizioni sia fisiologiche che patologiche, ha evidenziato un buon grado di accuratezza nella predizione degli spostamenti a livello vertebrale, con coefficienti di determinazione superiori a 0.9 e valori di RMSE relativamente bassi. Tuttavia, lo stesso livello di accuratezza non è stato raggiunto nella predizione della distribuzione delle deformazioni, come evidenziato dai valori di RMSE relativamente elevati. Ciononostante, si è riscontrata una migliore predizione dei risultati in modelli con proprietà non lineari piuttosto che lineari, ottenendo valori percentuali di RMSE anche inferiori al 15%. Pertanto, i risultati ottenuti suggeriscono una predilezione nell’adottare proprietà meccaniche più realistiche per ottenere previsioni più accurate.