Comportamento biomeccanico del tessuto osseo: da immagini di tomografia computerizzata alle analisi agli elementi finiti

This thesis aims to develop an innovative procedure for the reliable characterization of bone tissue mechanics, considering its heterogeneity and anisotropic behavior. The elastic properties of bone vary significantly with the scale of observation, anatomical location, and orientation, presenting considerable variability even within the same bone structure. The methodological approach used, defined as Computational Modeling, takes these factors into account and leverages in vivo Computed Tomography (CT) data to generate virtual solid models of bone elements. These models accurately reflect the bone tissue's response to loads by incorporating mechanical variables derived from patient-specific Hounsfield values obtained from CT data. By creating finite element meshes and assigning specific tissue properties, the goal is to develop an accurate and predictive computational representation of the bone's mechanical behavior. The procedure was tested on a case study of a patient with angiosarcoma located in the femur region, with CT data obtained before and after chemotherapy, from both the affected and healthy sides. The objective is to analyze the impact of the tumor and chemotherapy on the mechanical properties of the bone and to assess the effectiveness of the proposed procedure. The results provide a detailed picture of the disease's impact on the mechanical characteristics of the bone tissue and demonstrate the usefulness and effectiveness of the methodological approach used.

La presente tesi si propone di sviluppare una procedura innovativa per la caratterizzazione affidabile della meccanica del tessuto osseo, considerando la sua eterogeneità e il comportamento anisotropo. Le proprietà elastiche dell’osso variano significativamente con la scala di osservazione, la posizione anatomica e l'orientamento, presentando una grande variabilità anche all'interno della stessa struttura ossea. L'approccio metodologico utilizzato, definito come modellazione computazionale (Computational Modeling), tiene conto di questi fattori, e sfrutta i dati di Tomografia Computerizzata (TC) in vivo per generare modelli solidi virtuali degli elementi ossei. Questi modelli permettono di riflettere accuratamente la risposta ai carichi del tessuto osseo grazie alle variabili meccaniche che sono state ricavate a partire dai valori di Hounsfield specifici di quel paziente, ottenuti appunto dai dati TC. Attraverso la creazione di mesh a elementi finiti e l'assegnazione delle proprietà specifiche del tessuto, si mira a sviluppare una rappresentazione computazionale accurata e predittiva del comportamento meccanico dell'osso. La procedura è stata testata su un caso di studio relativo a un paziente affetto da un angiosarcoma localizzato nella regione del femore, di cui sono state ottenute i dati di TC prima e dopo la chemioterapia, sia del lato affetto dal tumore che di quello sano. L'obiettivo è analizzare l'effetto del tumore e della chemioterapia sulle proprietà meccaniche dell'osso e valutare l'efficacia della procedura proposta. I risultati ottenuti forniscono un quadro dettagliato dell'impatto della malattia sulle caratteristiche meccaniche del tessuto osseo e dimostrano l’utilità e l’efficacia dell'approccio metodologico utilizzato.