Micro-FEM models based on micro-CT reconstructions for the in vitro characterization of the elastic properties of trabecular bone tissue.

This master’s thesis describes the research done at the Medical Technology Laboratory (LTM) of the Rizzoli Orthopedic Institute (IOR, Bologna, Italy), which focused on the characterization of the elastic properties of the trabecular bone tissue, starting from october 2012 to present. The approach uses computed microtomography to characterize the architecture of trabecular bone specimens. With the information obtained from the scanner, specimen-specific models of trabecular bone are generated for the solution with the Finite Element Method (FEM). Along with the FEM modelling, mechanical tests are performed over the same reconstructed bone portions. From the linear-elastic stage of mechanical tests presented by experimental results, it is possible to estimate the mechanical properties of the trabecular bone tissue. After a brief introduction on the biomechanics of the trabecular bone (chapter 1) and on the characterization of the mechanics of its tissue using FEM models (chapter 2), the reliability analysis of an experimental procedure is explained (chapter 3), based on the high-scalable numerical solver ParFE. In chapter 4, the sensitivity analyses on two different parameters for micro-FEM model’s reconstruction are presented. Once the reliability of the modeling strategy has been shown, a recent layout for experimental test, developed in LTM, is presented (chapter 5). Moreover, the results of the application of the new layout are discussed, with a stress on the difficulties connected to it and observed during the tests. Finally, a prototype experimental layout for the measure of deformations in trabecular bone specimens is presented (chapter 6). This procedure is based on the Digital Image Correlation method and is currently under development in LTM.

In vitro characterization of the three-dimensional strain pattern in human vertebrae affected by metastases

La colonna vertebrale è la principale sede di metastasi, le quali possono alterare la normale distribuzione dei tessuti ossei e ridurre la capacità della vertebra di sostenere carichi. L’instabilità spinale causata dalle metastasi, tuttavia, è di difficile determinazione. La caratterizzazione meccanica delle vertebre metastatiche permetterebbe di identificare e, di conseguenza trattare, quelle ad alto rischio di frattura. In questo studio, ho valutato il comportamento meccanico a rottura di vertebre umane affette da metastasi misurando in vitro il campo di deformazione. Undici provini, costituiti da due vertebre centrali, una metastatica e una sana, sono stati preparati e scansionati applicando carichi graduali di compressione in una micro-tomografia computerizzata (μCT). Le deformazioni principali sono state misurate attraverso un algoritmo globale di Digital Volume Correlation (DVC) e successivamente sono state analizzate. Lo studio ha rivelato che le vertebre con metastasi litiche raggiungono deformazioni maggiori delle vertebre sane. Invece, le metastasi miste non assicurano un comportamento univoco in quanto combinano gli effetti antagonisti delle lesioni litiche e blastiche. Dunque la valutazione è stata estesa a possibili correlazioni tra il campo di deformazione e la microstruttura della vertebra. L'analisi ha identificato le regioni in cui parte la frattura (a più alta deformazione), senza identificare, in termini microstrutturali, una zona preferenziale di rottura a priori. Infatti, alcune zone con un pattern trabecolare denso, presunte più rigide, hanno mostrato deformazioni maggiori di quelle dei tessuti sani, sottolineando l’importanza della valutazione della qualità del tessuto osseo. Questi risultati, generalizzati su un campione più ampio, potrebbero essere utilizzati per implementare nuovi criteri negli attuali sistemi di valutazione dell'instabilità spinale.

Effetto dell'emilaminectomia sul rachide lombare: un'analisi biomeccanica in vitro

La stenosi spinale lombare (LSS) è un processo degenerativo frequente nell’attuale popolazione anziana e può essere considerata come la causa principale di chirurgia spinale nei pazienti di età superiore ai sessantacinque anni. Comporta un restringimento del forame vertebrale, che, nei casi più gravi, causa una compressione del midollo spinale e degli elementi neurali e vascolari situati nel tratto lombo-sacrale. Uno dei trattamenti chirurgici di decompressione utilizzato è l’emilaminectomia, che, prevedendo la resezione della lamina di un solo lato della vertebra e di parte del legamento giallo, può portare a una riduzione della stabilità spinale. L’obiettivo di questo studio in vitro è quello di analizzare l’impatto dell’emilaminectomia sulla biomeccanica del rachide. Sei provini, estratti da rachide umano e costituiti da quattro vertebre lombari e una sacrale (L2-S1), sono stati testati meccanicamente in flessione, estensione e flessione laterale sinistra e destra in due condizioni di prova: intatti e post emilaminectomia. La stabilità spinale è stata valutata calcolando il Range of Motion tra le vertebre L2 e S1 agli estremi dei provini. Mediante l’algoritmo di Digital Image Correlation (DIC), sono state estratte e valutate le distribuzioni delle deformazioni dell’intero provino, valutando, in particolare, le deformazioni principali massime e minime sulla superficie del disco intervertebrale L4-L5. I risultati hanno mostrato che l’emilaminectomia ha causato una diminuzione significativa della stabilità spinale solo in flessione, con un aumento del Range of Motion del 54%. L’emilaminectomia non ha causato variazioni nelle distribuzioni delle deformazioni in ogni configurazione di carico. Le deformazioni principali minime sul disco intervertebrale L4-L5, tra le due vertebre in cui è stata eseguita l’emilaminectomia, sono aumentate, in modo statisticamente significativo, del 38% nella flessione nel lato in cui è stato svolto l’intervento di emilaminectomia.