Implementazione di proprietà meccaniche trasversalmente isotrope in modelli FE del femore per la predizione della frattura = Implementation of transversely isotropic mechanical properties in FE models of the femur for fracture prediction

Il numero delle fratture del femore è in costante aumento da decenni e si prevede un’ulteriore crescita a causa dell’invecchiamento progressivo della popolazione e dell’allungamento dell’aspettativa di vita. In questo contesto, la predizione delle fratture ossee del femore, affidata principalmente a strumenti diagnostici di imaging con scarsa accuratezza, è di fondamentale importanza nel panorama ingegneristico biomedico poiché ha come scopo la riduzione degli interventi operatori a carico di pazienti in età avanzata. Questo è il principale motivo che spinge numerosi gruppi di ricerca ad approfondire il tema, nel tentativo di individuare uno strumento che sia in grado di garantire una maggiore precisione; la direzione intrapresa è quella delle simulazioni agli elementi finiti (FE) che, partendo da immagini del sistema scheletrico della coscia, costruiscono un modello rappresentativo dell’articolazione dell’anca. Il seguente lavoro di tesi si propone di inserire, nelle simulazioni FE, le proprietà meccaniche di anisotropia per l’osso, in particolare quelle di isotropia trasversale, al fine di determinare se una rappresentazione più accurata delle proprietà meccaniche, possa avere un effetto migliorativo nella predizione della frattura. A questo scopo sono state utilizzate le scansioni tomografiche del femore di un soggetto, sulle quali è stato calcolato il Local Structure Tensor (LST) che ha permesso di identificare gli autovalori relativi a ciascuna delle tre direzioni principali. Per una valutazione appropriata della microarchitettura ossea, è stata considerata una direzione media, ottenuta dalla media pesata del secondo e del terzo autovalore. In seconda battuta, è stato utilizzato il modello agli elementi finiti, estrapolato dall’immagine CT, per applicare le proprietà meccaniche di isotropia trasversale in accordo con la direzione principale media; il modulo elastico è stato fornito dapprima sulla direzione principale media e successivamente frazionato del 60% per applicarlo sul piano trasversalmente isotropo. Infine, per valutare la resistenza meccanica del femore, lo si è sottoposto a 28 condizioni di carico, corrispondenti ad altrettante configurazioni di caduta, e differenti tra loro per l’angolazione con la quale è rappresentato il contatto con il suolo, che è stata variata ad intervalli di 10° sia sul piano medio-laterale (da 0° a -30°), sia sul piano antero-posteriore (da -30° a +30°). Le simulazioni sono state condotte utilizzando un carico concentrato di 1000N applicato nel centro della testa femorale, ed il suolo è stato modellizzato come un piano rigido posto a livello del gran trocantere. Le deformazioni principali nel femore prossimale sono state confrontate tra la simulazione con proprietà di isotropia trasversale e la simulazione isotropa. I risultati mostrano una buona sovrapposizione tra le due simulazioni effettuate ed entrambi i modelli sono in grado di identificare i nodi critici a livello del femore prossimale, con le massime deformazioni principali localizzate a livello del collo femorale. Quanto ottenuto presenta potenziali applicazioni cliniche, migliorabili nel corso del tempo e con maggiori approfondimenti sul tema.