Numerical simulations of the spine for patient-specific models of severe scoliosis

In silico methods, such as musculoskeletal modelling, may aid the selection of the optimal surgical treatment for highly complex pathologies such as scoliosis. Many musculoskeletal models use a generic, simplified representation of the intervertebral joints, which are fundamental to the flexibility of the spine. Therefore, to model and simulate the spine, a suitable representation of the intervertebral joint is crucial. The aim of this PhD was to characterise specimen-specific models of the intervertebral joint for multi-body models from experimental datasets. First, the project investigated the characterisation of a specimen-specific lumped parameter model of the intervertebral joint from an experimental dataset of a four-vertebra lumbar spine segment. Specimen-specific stiffnesses were determined with an optimisation method. The sensitivity of the parameters to the joint pose was investigate. Results showed the stiffnesses and predicted motions were highly depended on both the joint pose. Following the first study, the method was reapplied to another dataset that included six complete lumbar spine segments under three different loading conditions. Specimen-specific uniform stiffnesses across joint levels and level-dependent stiffnesses were calculated by optimisation. Specimen-specific stiffness show high inter-specimen variability and were also specific to the loading condition. Level-dependent stiffnesses are necessary for accurate kinematic predictions and should be determined independently of one another. Secondly, a framework to create subject-specific musculoskeletal models of individuals with severe scoliosis was developed. This resulted in a robust codified pipeline for creating subject-specific, severely scoliotic spine models from CT data. In conclusion, this thesis showed that specimen-specific intervertebral joint stiffnesses were highly sensitive to joint pose definition and the importance of level-dependent optimisation. Further, an open-source codified pipeline to create patient-specific scoliotic spine models from CT data was released. These studies and this pipeline can facilitate the specimen-specific characterisation of the scoliotic intervertebral joint and its incorporation into scoliotic musculoskeletal spine models.

Evaluation of the microstructural pattern and mechanical behaviour of human metastatic vertebrae

La spina dorsale è uno dei principali siti di sviluppo di metastasi ossee. Queste alterano sia la composizione strutturale che il comportamento meccanico delle vertebre metastatiche, riducendone la resistenza meccanica ed aumentandone il rischio di rottura. Questo studio ha valutato la composizione microstrutturale ed il comportamento meccanico a rottura in specifiche regioni all’interno di vertebre metastatiche. 11 segmenti vertebrali da cadavere, costituiti da una vertebra sana ed una con metastasi (litica, mista o blastica), sono stati testati con carichi graduali di compressione e scansionati con microCT. Le deformazioni interne sono state misurate tramite un algoritmo globale di Digital Volume Correlation (DVC). I risultati dall’analisi microstrutturale hanno mostrato l’ influenza sulla microstruttura delle diverse tipologie di metastasi in corrispondenza della lesione, mentre le caratteristiche microstrutturali nelle regioni intorno alla lesione sono risultate simili a quelle delle vertebre sane. L’analisi delle deformazioni ha inoltre permesso di valutare l’ effetto delle diverse tipologie di metastasi nel compromettere la stabilità spinale. Le vertebre con metastasi litiche hanno raggiunto deformazioni maggiori in corrispondenza della lesione, regione meccanicamente più debole e con una microstruttura maggiormente compromessa a causa della metastasi. Le vertebre con metastasi blastiche hanno raggiunto deformazioni minori nella lesione, regione che ha mostrato una maggiore resistenza meccanica ai carichi, e deformazioni maggiori nelle zone più lontane. Le vertebre con metastasi miste hanno mostrato un comportamento meccanico non univoco, legato alla predominanza di una lesione sull’altra. Infatti, la posizione e la proporzione tra le due lesioni sembra influenzare il comportamento meccanico. I risultati di questo studio, una volta generalizzati, potrebbero portare alla spiegazione delle cause di instabilità meccanica nelle vertebre metastatiche.

Analisi dei parametri spinopelvici sul piano coronale nella patologia giunzionale lombare distale in pazienti con scoliosi

La scoliosi è una delle patologie più importanti che affliggono la colonna vertebrale, che può essere trattata chirurgicamente con un intervento di fissazione posteriore per ripristinare l’allineamento della colonna vertebrale sul piano coronale. Questa chirurgia ha al momento un alto tasso di fallimento. Una delle principali complicazioni che portano al fallimento è l’insorgenza di patologia giunzionale lombare distale. In letteratura l’influenza dello sbilanciamento coronale non è stata ancora sufficientemente approfondita. Per questo, l’obiettivo di questo studio è quello di verificare l’esistenza di possibili correlazioni tra i parametri spinopelvici nel piano coronale e l’incidenza della patologia giunzionale distale nella regione lombare. Sono stati selezionati tutti i pazienti affetti da scoliosi che sono stati sottoposti a fissazione spinale strumentata nel 2017 e 2018 all’Istituto Ortopedico Rizzoli. Questi pazienti sono stati poi divisi in due gruppi, un gruppo di controllo che comprendeva 66 pazienti e un gruppo di 31 pazienti che hanno presentato patologia giunzionale distale, andando così incontro a revisione. In entrambi i gruppi sono stati estratti i dati demografici dei pazienti e sono stati misurati i parametri spinopelvici su radiografie in ortostatismo in proiezione anteroposteriore sia precedentemente che successivamente all’intervento di fissazione; per i pazienti affetti da patologia giunzionale distale sono state esaminate anche le radiografie precedenti alla revisione. L'analisi dei risultati di questo studio ha consentito di ipotizzare possibili correlazioni tra il fallimento di un intervento di fissazione spinale e alcune caratteristiche del paziente, quali età, BMI, sbilanciamento coronale , deviazione della vertebra apice e ampiezza (misurata secondo il metodo di Cobb) delle curve scoliotiche.

Validation of microFE models of human metastatic vertebrae

La colonna vertebrale è uno dei principali siti per lo sviluppo delle metastasi ossee. Esse modificano le proprietà meccaniche della vertebra indebolendo la struttura e inducendo l’instabilità spinale. La medicina in silico e i modelli agli elementi finiti (FE) hanno trovato spazio nello studio del comportamento meccanico delle vertebre, permettendo una valutazione delle loro proprietà meccaniche anche in presenza di metastasi. In questo studio ho validato i campi di spostamento predetti da modelli microFE di vertebre umane, con e senza metastasi, rispetto agli spostamenti misurati mediante Digital Volume Correlation (DVC). Sono stati utilizzati 4 provini da donatore umano, ognuno composto da una vertebra sana e da una vertebra con metastasi litica. Per ogni vertebra è stato sviluppato un modello microFE omogeneo, lineare e isotropo basato su sequenze di immagini ad alta risoluzione ottenute con microCT (voxel size = 39 μm). Sono state imposte come condizioni al contorno gli spostamenti ottenuti con la DVC nelle fette prossimali e distali di ogni vertebra. I modelli microFE hanno mostrato buone capacità predittive degli spostamenti interni sia per le vertebre di controllo che per quelle metastatiche. Per range di spostamento superiori a 100 μm, il valore di R2 è risultato compreso tra 0.70 e 0.99 e il valore di RMSE% tra 1.01% e 21.88%. Dalle analisi dei campi di deformazione predetti dai modelli microFE sono state evidenziate regioni a maggior deformazione nelle vertebre metastatiche, in particolare in prossimità delle lesioni. Questi risultati sono in accordo con le misure sperimentali effettuate con la DVC. Si può assumere quindi che il modello microFE lineare omogeneo isotropo in campo elastico produca risultati attendibili sia per le vertebre sane sia per le vertebre metastatiche. La procedura di validazione implementata potrebbe essere utilizzata per approfondire lo studio delle proprietà meccaniche delle lesioni blastiche.

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.