Rimodellamento osseo in seguito ad intervento di artroplastica d'anca: simulazione attraverso analisi agli elementi finiti e approccio alla validazione

L’artroplastica d’anca è ad oggi uno dei più frequenti interventi nell’ambito della chirurgia ortopedica, in grado di restituire un’ottima funzionalità articolare ed un eccellente recupero motorio in seguito a fratture femorali, lussazioni, coxoartrosi o lesioni tumorali. Una delle possibili cause di fallimento dell’impianto protesico è il fenomeno dello stress shielding, ovvero un'alterazione dello stato tensionale meccanico (stress) fisiologico del femore. Questa alterazione degli stress, dovuta alla diversa rigidezza meccanica della protesi metallica rispetto al femore in cui viene impiantata, può indurre fenomeni di riassorbimento osseo che possono a loro volta causare mobilizzazione asettica e conseguente fallimento dell'impianto. Obiettivi del presente lavoro di tesi magistrale sono la simulazione numerica del processo di rimodellamento osseo, attraverso analisi agli elementi finiti e la validazione dei risultati da essa ottenuti. La simulazione, che ha lo scopo di prevedere, tramite la legge di Wolff, la distribuzione spaziale delle densità nell’osso qualche mese dopo l’intervento, si basa su immagini diagnostiche tridimensionali di Tomografia Computerizzata (TC) del femore, relative a prima e dopo l’artroplastica d'anca. In particolare, è stata sviluppata ed ottimizzata una procedura che consente non solo di ricostruire i modelli tridimensionali di femore e protesi, ma anche di effettuare la mappatura delle proprietà fisico-meccaniche ossee, basandosi sui valori di grigio presenti nella TC. I modelli tridimensionali ottenuti sono stati registrati ed elaborati in modo da ottenere un'unica mesh di volume, da usare durante le analisi agli elementi finiti, e contenente sia le componenti del femore pre-operatorio che post-operatorio. Tali componenti sono state realizzate in modo da ottenere una mesh conforme all'interfaccia. Inoltre, con lo scopo di realizzare una simulazione il più fedele possibile al dato post-operatorio effettivo, è stato realizzato un protocollo di carico del femore che rispecchiasse in maniera accurata le condizioni di carico fisiologiche. Ciò è stato ottenuto elaborando dati contenenti sia misure dirette delle forze applicate all'anca durante le normali attività quotidiane, sia informazioni sulla durata di tali attività, acquisiti durante una giornata standard di un paziente protesizzato. La validazione dei risultati della simulazione è stata affrontata confrontando elemento per elemento le densità simulate e le densità estratte dalla TC post-operatoria, prese come riferimento. Sono state calcolate e valutate diverse misure di errore, relative all’intero femore o a porzioni di esso, ottenute sulla base di considerazioni anatomiche. Queste misure di errore hanno dimostrato che il codice utilizzato è in grado di prevedere con buona approssimazione le zone di riassorbimento; tale conclusione è supportata anche da analisi qualitative e visive effettuate da chirurghi specialisti in questo tipo di interventi. In particolare, il calcolo degli errori sperimentali è risultato promettente in vista di studi futuri, sia in termini di errore medio pesato (circa 0.14 [g/cm^3]) sia in termini di errore percentuale medio, relativo alle diverse zone di interesse analizzate.