Biomeccanica del rachide con deformità tramite modellistica muscoloscheletrica multi-body : caratterizzazione della scoliosi idiopatica nell'adolescente

Introduction Rigid-body musculoskeletal models represent a useful exploration tool of human biomechanics to overcome invasive experiments and in vivo measurements. These models represent the bones as rigid bodies connected by mechanical joints, and the muscles, anchored to the bones, as active actuators that generate the movement. By using inverse dynamic analysis, muscles activities are estimated as well as inter-segmental reactions, both of which act to ensure an imposed dynamics or kinematics. Aiming at the deep knowledge of the spine kinetics is promising to understand aetiology and causes of diseases and deformations such as scoliosis. Relating to the spine, the expectation for using these models is to develop new methods of treatment and prevention. Methods Currently a validated musculoskeletal model has been developed to reproduce the human vertebral column, with its vertebrae, muscles and ligaments, without neglecting the articulated ribcage. Starting from it, with the present thesis, a highly automated extension to this model has been implemented. It can replicate the spine alignment of subjects with mild, moderate and severe adolescent idiopathic scoliosis, by biplanar radiographs acquired with the EOS system. Results The adequacy of the present model is supported by the preliminary validation elaborated. The inverse dynamics performed allowed the estimation of muscles activities and inter-segmental reactions, at each level of the column, detecting biomechanical relationships involved with the spine level, the (Lenke) type and scoliosis severity. The greatest activation of the erector spinae muscle on the convex side of the scoliosis was demonstrated. The compression force is always greater than the lateral and anteroposterior ones, at all spine levels. In addition, the compression component at the apex is higher than that at the extremities of the scoliotic curve, as deformity increases. At the first and last vertebrae of the curve the lateral force is strongly correlated with scoliosis severity, as Lenke types vary; this shows that the relationship between lateral shear forces and scoliosis are similar for both cases with single and multiple curves, regardless its position along the spine. In addition, the results of this work, based on the criterion of optimized muscles forces, seem to indicate that the assumption of the follower load cannot be adopted for frontal plane of the rachid in cases of scoliotic curves. Limitations The scaling carried out to achieve patient-specific models does not allow to rescale the physiological cross-sectional area of the muscles, thus affecting activities measures. In addition, intervertebral moments, which interpret the contribution of ligaments and articular facets, have been set to zero to replicate the orthostatic position as neutral. Such stiffness depending moments will have to be considered when evaluating movements, but in this regard there are no reference values in subjects with adolescent idiopathic scoliosis. Conclusions In conclusion, the results confirm that scoliosis is a three-dimensional deformity, which alters both the geometry and biomechanics of the spine. Despite its limitations, the developed model is promising for replicating the scoliotic alignment and may be used to investigate, for example, the relationship between muscles activaties and intervertebral forces with scoliosis degeneration, monitoring the subjects over time. In addition, it could be used to study movements to investigate the biomechanical effects of rehabilitation techniques. Moreover, forces and moments could be inputs for finite element analysis to study stresses on the intervertebral disks or simulate effects of surgical correction implants. Yet, this model could be used to provide biomechanical information in the creation of indices capable of predicting the progression of scoliosis, enriching those already developed based on geometric parameters only.

Introduzione I modelli muscolo-scheletrici a corpi rigidi rappresentano un utile strumento di esplorazione della biomeccanica umana per ovviare esperimenti e misurazioni invasive eseguiti in vivo. Questi modelli caratterizzano i segmenti ossei come corpi rigidi collegati tra loro da giunti, e i muscoli, collegati ai segmenti, come attuatori attivi che generano il movimento. Attraverso l’analisi dinamica inversa, vengono stimate le forze di attivazione muscolare, e quelle passive di reazione inter-segmentale, che agiscono per garantire una cinematica o una dinamica imposta. In merito alla modellizzazione della colonna vertebrale, la conoscenza della cinetica del rachide è una promettente rotta d’azione per comprendere eziologia e cause di malattie e deformazioni, quali la scoliosi, con l’aspettativa di poter sviluppare nuovi metodi di cura e prevenzione. Metodi Recentemente, è stato implementato un modello muscolo-scheletrico validato che riproduce la colonna vertebrale umana nel complesso organismo di vertebre, muscoli e legamenti, includendo anche il torace articolato. Partendo da esso, con la presente tesi, è stata sviluppata un’estensione, altamente automatizzabile, in grado di replicare l’assetto vertebrale di soggetti con scoliosi idiopatica adolescenziale con gravità lieve, moderata e severa, a partire da radiografie biplanari acquisite con il sistema EOS. Risultati Una validazione preliminare ha dimostrato, attraverso il confronto con dati di letteratura, l’adeguatezza del modello scoliotico. L’analisi dinamica inversa ha permesso la stima delle attività muscolari e delle forze di reazione inter-segmentale, ad ogni livello della colonna, agenti nella posizione assegnata, rivelando relazioni d’interesse biomeccanico in funzione del livello vertebrale, della tipologia (secondo Lenke) e del grado di scoliosi. È stata dimostrata la maggior attivazione del muscolo erettore spinale sul lato convesso della deformità in accordo con misurazioni elettromiografiche precedenti. La forza di compressione è risultata sempre maggiore rispetto a quelle di taglio laterale e anteroposteriore a tutti i livelli rachidei. Inoltre, all’aumentare della deformità scoliotica la componente di compressione all’apice della curva è superiore alle sue estremità (inizio e fine). Ivi, la forza intervertebrale laterale è risultata fortemente correlata con la gravità della deformità al variare dei tipi Lenke; ciò dimostra che le relazioni tra le forze di taglio laterali e la scoliosi sono simili sia per casi di deformità con una sola curva, che per quelli con più curve, indipendentemente dalla posizione della/e medesima/e lungo il rachide. Inoltre, i risultati del presente lavoro, basati sul criterio di ottimizzazione delle forze muscolari nel mantenimento di una configurazione posturale assegnata, sembrano indicare che l’assunto del follower load non possa essere adottato a-priori per il piano rachideo frontale qualora siano presenti curve dovute alla complessa deformità tridimensionale propria della scoliosi. Limiti Per quanto riguarda i limiti del lavoro, lo scaling effettuato per la riduzione del modello a casi paziente-specifici non permette di riscalare la sezione muscolare fisiologica del modello di partenza, dalla quale dipendono tutte le misure inerenti alle attivazioni muscolari, inevitabilmente influenzate. Inoltre, i momenti intervertebrali, che interpretano il contributo di legamenti e faccette articolari, sono stati posti a zero in ottemperanza all’assunto che sia neutra la posizione ortostatica. Tali momenti, dipendenti dalla stiffness, dovranno essere considerati quando si valuterà il movimento, ma a questo riguardo non ci sono valori di riferimento nei soggetti con scoliosi idiopatica adolescenziale. Conclusioni In conclusione, i risultati confermano che la scoliosi è una deformità tridimensionale, che altera in modo complesso sia la geometria che la biomeccanica del rachide. Nonostante le limitazioni del presente lavoro, il modello sviluppato è promettente per replicare l’assetto scoliotico e potrà servire per indagare, ad esempio, la relazione tra attivazioni muscolari e forze intervertebrali e la progressione della scoliosi, monitorando i soggetti nel tempo. Inoltre, potrà essere utilizzato per studiare il movimento per confrontare l’effetto biomeccanico delle tecniche di riabilitazione. Forze e momenti ottenuti potranno essere usati come input per simulazioni agli elementi finiti con l’obiettivo di studiare gli sforzi nei dischi intervertebrali o simulare l’effetto di impianti di correzione chirurgica della scoliosi. Ancora, questo modello potrà essere utilizzato per fornire informazioni di tipo biomeccanico nella creazione di indici in grado di predire la progressione della scoliosi, potendo arricchire quelli già sviluppati in letteratura e basati sui soli parametri geometrici.