Verso la modellazione soggetto-specifica del disco intervertebrale: estrazione delle proprietà meccaniche dai valori di T2 da immagini RM. = Towards the subject-specific modelling of the interevertebral disc: extraction of the mechanical properties from MRI images T2 values

La degenerazione del disco intervertebrale (IVD) rappresenta una delle principali cause di mal di schiena e disfunzioni biomeccaniche della colonna vertebrale. Risulta cruciale lo sviluppo di modelli biomeccanici ad Elementi Finiti (FE) in grado di riprodurre accuratamente il comportamento meccanico dei dischi, con l’obiettivo di ottimizzarne la diagnosi e il trattamento mediante modelli adeguati. Tuttavia, l’attuale dipendenza da parametri generici nella modellazione del disco limita il potenziale predittivo dei modelli FE della colonna vertebrale, poiché i dischi, fondamentali nella trasmissione dei carichi alle vertebre, non possono essere modellati in modo soggetto-specifico. Questo studio propone una metodologia per correlare il grado di degenerazione del disco intervertebrale con informazioni quantitative ricavate dalla risonanza magnetica (RM) e con le proprietà meccaniche dei dischi, in modo soggetto-specifico. Sono stati analizzati due campioni relativi al segmento vertebrale compreso tra T9/T10 e T12/L1. Entrambi sono stati sottoposti a risonanza magnetica multimodale: sono state utilizzate sequenze sagittali T2 per ricavare i valori di Signal Intensity e immagini 3D FIESTA per effettuare la segmentazione e distinguere morfologicamente la regione del nucleus pulposus (NP) rispetto all’anulus fibrosus (AF), ove possibile. I tempi di rilassamento T2 sono stati stimati a partire dai valori di grigio delle immagini mediante un algoritmo di Simulated Annealing applicato ad un modello di decadimento esponenziale. Dai valori T2 del nucleus pulposus è stato successivamente derivato il contenuto idrico percentuale (W.C.%). Tramite una regressione esponenziale, correlata direttamente con l’idratazione percentuale del tessuto, è stato calcolato il modulo elastico. Diversamente, il coefficiente di Poisson è stato ottenuto mediante una relazione lineare basata sulla riduzione percentuale dell’altezza discale e sulla comprimibilità del tessuto. Per l’AF è stato invece adottato il modello iperelastico di Mooney-Rivlin, adatto a caratterizzare materiali elastici non lineari. I parametri C1 e C2 dei dischi analizzati sono stati stimati tramite fitting lineare dei valori noti in letteratura in funzione della riduzione percentuale dell’altezza del disco rispetto ad una condizione fisiologica. I risultati mostrano che i valori di modulo elastico di NP risultano minori nei dischi più idratati (circa 1.49 MPa) rispetto a quelli degenerati (circa 2.55 MPa), evidenziando una forte correlazione inversa tra E e T2 (r = -1.00, p < 0.01) e una correlazione positiva con il punteggio di Pfirrmann (r = 0.83, p < 0.05), mentre il coefficiente di Poisson si riduce con l’avanzare della degenerazione, passando da 0.49 a 0.41. I parametri C1 e C2 mostrano una forte correlazione con Pfirrmann (r = 0.96, p < 0.01) e correlazioni inverse con T2 (r = -0.73, p < 0.05) e altezza discale (r = -0.90, p < 0.01). Questi risultati confermano che è possibile ottenere una caratterizzazione quantitativa e soggetto-specifica del disco intervertebrale a partire da dati di RM non invasivi. La sinergia tra imaging, modellazione biomeccanica e stima dei parametri meccanici rappresenta un passo significativo verso modelli FEM altamente personalizzati.