Sviluppo di un modello multibody con flessibilità integrata per lo studio delle prestazioni meccaniche di una placca ortopedica femorale = Development of a flexible multibody model for evaluating the mechanical performance of a femoral orthopedic plate

Nel campo della biomeccanica computazionale esistono due principali approcci modellistici: l’analisi agli elementi finiti (FEA), che consente di ottenere informazioni dettagliate su tensioni e deformazioni locali, e l’analisi multibody (MB), più adatta a studiare il movimento dell’apparato muscoloscheletrico soggetto a grandi spostamenti e rotazioni, garantendo al contempo maggiore efficienza computazionale. Nella loro formulazione convenzionale, i modelli MB sono costituiti da corpi rigidi connessi da giunti ideali e, per questo, non riescono a rappresentare le deformazioni dei sistemi studiati. Per superare tale limite è possibile integrare nei modelli corpi deformabili ottenuti tramite analisi modale, combinando così la capacità di simulare ampi movimenti e carichi dinamici con la possibilità di analizzare le deformazioni locali. La rappresentazione delle deformazioni mediante funzioni di forma (modi) del corpo flessibile, derivate dall’analisi modale, consente inoltre di ridurre i gradi di libertà del modello, abbattendo i costi computazionali delle simulazioni e permettendo l’esecuzione di studi più ampi in tempi contenuti. Obiettivo del presente lavoro di tesi è stato valutare l’applicabilità dell’approccio MB per l’analisi delle prestazioni meccaniche di una placca ortopedica destinata al trattamento di fratture diafisarie del femore, patologia di rilevante interesse clinico e ortopedico per l’elevata incidenza e le possibili complicanze post-operatorie. A tal fine è stato sviluppato in Adams View un modello MB composto dai due monconi femorali (prossimale e distale) collegati da una placca posizionata a ridosso della frattura, la cui collocazione è stata parametrizzata. Le viti ortopediche sono state modellate come giunti rigidi nei fori della placca, ipotizzando un ancoraggio ideale. Sono state analizzate diverse configurazioni, combinando il numero di viti (2, 4 e 6) con due differenti posizioni della frattura, così da esplorare le condizioni più rappresentative di fissazione. Per ogni configurazione la placca è stata discretizzata e resa flessibile mediante analisi modale, includendo un numero adeguato di modi per catturare le principali deformazioni sotto carico. A partire da dati di letteratura, il comportamento del sistema placca-femore è stato studiato applicando le risultanti delle forze articolari sulla testa femorale e le principali forze muscolari, ossia quelle generate da abduttori e vasti durante la fase di appoggio della camminata. È stato inoltre modellato il contatto tra le rime di frattura. Per ciascuna configurazione sono stati valutati gli stress di Von Mises nella placca e gli spostamenti della testa femorale. Dalle simulazioni è emerso che la configurazione con sole due viti rappresenta la condizione più critica, mostrando i valori di stress più elevati e gli spostamenti maggiori, con possibili implicazioni negative sulla stabilità e sulla durata dell’impianto. Al contrario, la presenza di sei viti ha determinato una riduzione sia degli stress massimi sia degli spostamenti della testa femorale. Pur trattandosi di uno studio preliminare, il modello MB sviluppato si è dimostrato uno strumento efficace per l’analisi comparativa del comportamento meccanico del sistema placca-femore al variare della configurazione di fissazione e della posizione della frattura, ponendo le basi per futuri sviluppi.