Integration of muscle forces and gravity loads in a finite element model of the lumbar spine

The spine is a complex structure whose biomechanics is not yet fully understood. The goal of the computational and experimental models is to reproduce its functionality for better understanding the loads and the stresses that act along the spine. In this aim, the present thesis is based on the integration of muscle fascicles and weights’s action for the reproduction of upright standing in a realistic condition. Generally, a 500 N follower load is the common loading condition for simulating standing [11]. It acts like a cable between vertebrae inducing a pure compression force along the spinal curvature. Unfortunately, this simplification of the load is subjected to criticism [49]. For this reason, the thesis was developed for evaluating if the lumbar finite element musculo-skeletal model could reproduce the available in-vivo data in a better way with respect to follower load. The implementation of muscles in the model, required an adequate fascicles positioning preceded by a detailed analysis of the state of the art. Moreover, the fascicles were associated with a force value. For the selection of these values, literature’s models were analysed and percentages of muscular activation were chosen. Subsequently a campaign of simulations was conducted varying muscular forces’ activation. The muscles forces induced an extensory action that counterbalanced the flexory action of the weight of the tissues and organs surrounding and overlying the lumbar spine. These weight forces have been applied in specific points in the space: the centres of mass. Finally, the results obtained from simulations were critically analysed. It was found that the choice of muscular forces is strongly related to the in-vivo data used for comparison and to the specific model used. A model with a poor lordosis will need a greater muscular activation for obtaining a lordosis in agreement with literature. Future developments will concern the simulation of other loading conditions like flexion or extension, the use of a more lordotic lumbar model or the implementation of a model comprehensive of the thoracic part.

La colonna vertebrale è una struttura complessa la cui biomeccanica non è ancora del tutto nota. Lo scopo dei modelli computazionali e sperimentali è di riprodurne la funzionalità col fine di comprendere meglio carichi e sforzi agenti lungo la colonna. Con questo obiettivo, la tesi presente si propone di integrare i fasci muscolari e l’azione delle forze peso per riprodurre lo standing in condizioni più realtistiche possibili. Generalmente un follower load di 500 N viene usato per la simulazione dello standing [11]. Esso agisce come un cavo tra le vertebre, creando una pura forza di compressione lungo la curvatura spinale. Sfortunatamente questa semplificazione del carico è soggetta a critiche [49]. Per questa ragione la tesi è stata sviluppata col fine di valutare se il modello muscoloscheletrico lombare agli elementi finiti possa riprodurre i dati in-vivo in maniera più conforme rispetto al follower load. L’implementazione dei muscoli nel modello richiede un’adeguato posizionamento dei fasci, preceduto da un’analisi dettagliata dello stato dell’arte. Inoltre, a ogni fascio muscolare sono stati associati dei valori di forza. Per la scelta di questi valori, i modelli presenti in letteratura sono stati analizzati e successivamente sono state selezionate le percenuali di attivazioni muscolari da utilizzare. Sono poi state eseguite delle campagne di simulazioni al variare delle attivazioni delle forze. Queste ultime inducono un’estensione della colonna che serve a controbilanciare l’azione flessoria data dal peso dei tessuti e organi che circondano e sovrastano la colonna lombare. Queste forze peso sono poi state applicate in particolari punti dello spazio: i centri di massa. Infine i risultati ottenuti dalle simulazioni sono stati oggetto di un’analisi critica. Da quest’ultima è risultato che la scelta delle forze muscolari è fortemente legata ai dati in-vivo utilizzati per il confronto e allo specifico modello utilizzato. Sviluppi futuri potrebbero riguardare simulazioni con altre condizioni di carico quali flessione ed estensione, l’uso di un modello lombare più lordotico o l’implementazione di un modello comprendente la colonna toracica.