Modelli a elementi finiti della colonna vertebrale basati su immagini TC: sviluppo e validazione ex vivo = Finite element models of the spine based on CT images: development and ex vivo validation

La predizione del rischio di frattura vertebrale è cruciale per identificare i pazienti a rischio e prevenire lesioni; tuttavia, non può essere ottenuta con precisione basandosi unicamente sui parametri clinici. I modelli agli Elementi Finiti (FE) offrono un’opportunità significativa per superare questa limitazione, poiché consentono di esaminare dettagliatamente il comportamento biomeccanico delle vertebre e dei dischi intervertebrali. La qualità delle predizioni di tali modelli dipende, però, da una definizione accurata delle proprietà dei materiali, da una rappresentazione geometrica fedele e, soprattutto, da una validazione rigorosa tramite dati sperimentali ex vivo, fondamentale per garantire l'affidabilità delle simulazioni. L’obiettivo di questa tesi è sviluppare un modello FE del tratto lombare L1-L4 e verificarne l'accuratezza confrontandolo con misure sperimentali ottenute da un provino testato in flesso-compressione, di cui si dispone di immagini di tomografia computerizzata (TC). La geometria del segmento L1-L4 è stata ricostruita mediante segmentazione delle vertebre e dei dischi intervertebrali dalle immagini TC, utilizzando una combinazione di soglia basata su valori di Hounsfield Unit (HU) e segmentazione manuale. Sono state assegnate proprietà elastiche isotrope e anisotrope sulla base delle HU alle vertebre per valutare l’impatto di tali variabili sui risultati. La geometria dei dischi intervertebrali è stata modellata al fine di ottenere una rappresentazione quanto più realistica possibile utilizzando una mesh esaedrica; sono state implementate diverse combinazioni di modelli elastici, iperelastici, isotropi e anisotropi per l’anello e il nucleo, al fine di descriverne accuratamente il comportamento meccanico. Le condizioni al contorno sono state definite in modo da replicare i test sperimentali di flesso-compressione, consentendo un confronto diretto tra le deformazioni e gli spostamenti previsti nel modello numerico e i dati osservati sperimentalmente per le vertebre L2 ed L3. I risultati mostrano che l'adozione di geometrie più realistiche per i dischi e la modellazione anisotropa dell'osso riducono l'errore quadratico medio (RMSE) nelle predizioni delle deformazioni principali. Tra i modelli testati, si osserva una riduzione dell’RMSE fino a circa il 15% per le deformazioni principali minime e al 19% per quelle massime, rispetto ai modelli con ipotesi semplificate. Per quanto riguarda l’errore percentuale medio relativo sulle deformazioni minime, nei modelli ottimizzati, questo scende fino al 35%, mentre l'errore sulle deformazioni massime si riduce a circa il 50%, rappresentando una diminuzione consistente rispetto ai modelli basati su geometrie e proprietà semplificate. Queste modifiche confermano che un miglioramento nella rappresentazione geometrica e nella definizione delle proprietà dei materiali può incrementare notevolmente la precisione dei modelli FE, offrendo un contributo rilevante alla comprensione della biomeccanica della colonna vertebrale.