Modeling passive components of lumbar spine using an optimization algorithm developed for passive exoskeleton : a first approach

This work describes a first attempt to model passive components of lumbar spine during a simple movement of lateral bending. This approach adopts an adapted version of an algorithm that was developed for the design of a passive exoskeleton for the rehabilitation of upper and lower limbs. Knowing the complexity of such structure and the efficiency of actual models used in biomechanical research, this approach is structured in two sections: the first one deals with the design of a human lumbar spine by integrating geometrical data taken from literature measured on human lumbar spines. In particular, the model is composed by 3D images of lumbar vertebrae obtained from CT scans performed on cadaver specimen while their orientation is given by values of intervertebral angles measured on healthy patients. In order to arrange properly all the vertebrae in the space, a geometrical assumption has been considered and implemented. The second part of the work focuses on the algorithm cited above; in particular, it describes the different structure respect to the original one and its implementation to the virtual lumbar spine. The algorithm is used for each functional spinal unit in order to model passive tissues like intervertebral discs and ligaments as simple linear springs. Although it is possible to implement this algorithm under certain conditions, the results show that the structure proposed is not capable to model such complex tissues. On the other hand, by highlighting the limitations of this work, it is possible to understand how to improve the modeling approach proposed and to suggest other implementations.

Questo lavoro descrive un primo tentativo di modellazione di strutture passive di una colonna vertebrale lombare umana durante semplici movimenti di inclinazione laterale. Tale approccio fa uso di una versione modificata di un algoritmo che è stato sviluppato per la progettazione di un esoscheletro passivo per la riabilitazione di arti superiori ed inferiori. Tenendo in considerazione la complessità della struttura e l’efficienza di modelli attualmente usati nel campo di ricerca biomeccanica, è possibile suddividere tale approccio in due parti: la prima riguarda la costruzione di una colonna vertebrale lombare umana facendo uso di dati geometrici ricavati dalla letteratura. In particolare, il modello è composto da vertebre ottenute da immagini 3D ricavate da scansioni CT su cadavere mentre il loro orientamento viene ricavato da angoli intervertebrali misurati su pazienti sani. Le vertebre sono state disposte nello spazio secondo un’assunzione geometrica. La seconda parte del lavoro si concentra sull’algoritmo citato; in particolare, ne descrive la struttura rispetto alla versione originale e la sua implementazione sulla colonna vertebrale lombare. L’algoritmo viene utilizzato per ogni unità funzionale spinale per modellare come elementi elastici lineari tessuti passivi quali dischi intervertebrali e legamenti. Sebbene sia possibile applicare tale algoritmo sotto certe condizioni, i risultati dimostrano che la struttura proposta non è in grado di modellare adeguatamente tessuti così complessi. Tuttavia, mettendo in luce i limiti di questo lavoro, è possibile capire come migliorare questo approccio di modellazione e considerare altre implementazioni.