Analisi computazionale del tessuto mammario sotto l'effetto della gravità in condizioni fisiologiche e in condizione post-chirurgica con impianto di protesi innovativa

Breast computational models have been successful in a clinical setting. FEM models have been developed to analyze breast deformations under external force: nevertheless, literature is devoid of a unified approach to characterize the behavior when large deformations occur. The first aim of this work is to develop a new breast computational model in order to provide an estimate of stress and deformations under gravity load. Six models have been realized with different geometries: the first three have a simplified geometry, while the latest a more realistic one. The breast is simplified as a homogeneous linear elastic model, then as a stratified linear elastic model and finally as a Neo-Hookean hyperelastic model. The definitive model is the one where the breast is considered as an isotropic, homogeneous and quasi-incompressible material, whose mechanical properties are characterized by a neo-Hookean hyperelastic model. By applying a force which linearly increases in time until the value g=9.81 m/s2, the results obtained are confirmed in literature. The second aim of this work is the analysis of the gravitational effect on a breast model where a new prosthesis has been placed after lumpectomy. In particular, the intention is to study the friction which occurs in this condition between the breast tissue and the implant, by evaluating the influence of the prosthesis dimension in this aspect.Six models have been developed with prosthesis having different size (50, 100 e 200 cc) both immediately after surgery and after 6 months from the implant, when breast tissue is almost completely regenerated. The results show that contact pressure and shear stress at the interface between the biological tissue and the prosthesis decrease when the implant size increase in both conditions.

La modellazione computazionale del tessuto mammario ha riscosso enorme successo in ambito clinico. Esistono diversi modelli FEM finalizzati all’analisi delle deformazioni subite dal seno in presenza di forze esterne: tuttavia, in letteratura non è ancora presente un approccio univoco per caratterizzare il comportamento del seno ad alte deformazioni. Il primo obiettivo di questo lavoro è dunque lo sviluppo di un modello agli elementi finiti del tessuto mammario in grado di fornire una stima degli sforzi e delle deformazioni subite per effetto della forza di gravità. Si realizzano sei modelli distinti, di cui tre a geometria semplificata e tre a geometria realistica, in cui il seno è descritto come un materiale lineare elastico omogeneo, lineare elastico stratificato e iperelastico. Nel modello definitivo il seno è approssimato come un materiale omogeneo, isotropo e quasi incomprimibile, le cui proprietà meccaniche sono descritte attraverso il modello iperelastico neo-Hookeano. I risultati che derivano dall’applicazione di un carico crescente linearmente fino al valore g=9.81 m/s2 sono in accordo con quelli già riportati in letteratura. Il secondo obiettivo che ci si è posti è la valutazione dell’effetto gravitazionale sul seno all’interno del quale è inserita una protesi innovativa a seguito di intervento di lumpectomia: l’attenzione si è posta sulla valutazione della friction esistente tra protesi e tessuto, e sul rapporto tra quest’ultima e le dimensioni dell’impianto. Sono stati realizzati sei modelli contenenti protesi di diverse dimensioni (50, 100 e 200 cc) nell’immediato post-operatorio e dopo circa 6 mesi dall’impianto, quando il tessuto si è ormai quasi completamente rigenerato. I risultati dimostrano come all’aumentare delle dimensioni diminuiscano i valori di pressione di contatto e sforzo di taglio all’interfaccia protesi-tessuto per entrambe le condizioni analizzate.