Modellazione a elementi finiti di metastasi vertebrali : analisi semi-automatica patient-specific con strumenti software open-source

Vertebral bone metastases are the major cause of morbidity in patients with cancer and are often associated with other tumors within the body. They also degrade bone tissue increasing the risk of fractures in the patient. A vertebral fracture leads to major complications and an accurate estimation of the risk of fracture in each patient can improve the personalized treatment. To do so, in this work, a first step toward this has been done. A prototype program capable of creating a patent-specific semi-automatic finite element model of vertebrae affected by vertebral metastasis was created using only free and open-source software tools. Thus, patient images from three individuals were used to verify the program, where metastatic regions were manually identified. A mesh size sensitivity analysis was also performed to determine the convergence of the model. A total of 81 simulations were performed with different mesh or metastatic lesion size. The spring stiffness was calculated for each simulation, and a decrease greater than 10% was observed in cases where the tumor volume percentage also exceeded 10%. Although with some limitations, the prototype showed that it is possible to create patient-specific models of vertebrae quickly and easily. With future development, it may be possible to create these models automatically and, using open-source software, distribute them to physicians without a license fee.

Le metastasi ossee vertebrali rappresentano la maggiore causa di morbilità nei pazienti con cancro e sono associate spesso alla presenza di altri tumori all’interno del corpo. Inoltre, degradano il tessuto osseo aumentando il rischio di frattura nel paziente. Una frattura della vertebra porta a grandi complicanze nella cura del tumore nel paziente. Per questa ragione è importante determinare in modo accurato il rischio di frattura per scegliere il trattamento migliore per ogni paziente. In questo lavoro si è creato un prototipo di programma in grado di creare un modello a elementi finiti semi automatico patent-specific di vertebre affette da metastasi vertebrale, utilizzando solo strumenti software gratuiti e open source. Si sono scelti quindi 3 TC di pazienti a cui applicare questo programma. Si sono inserite virtualmente delle lesioni metastatiche di differenti dimensioni, per un totale di 27 vertebre segmentate. Si è anche svolta un’analisi di sensibilità alla dimensione della mesh per appurare che essa convergesse. In totale si sono svolte 81 simulazioni con differenti mesh o dimensione della lesione metastatica. Per ogni simulazione si è calcolato la stiffness (rigidezza), e si è osservato una diminuzione superiore al 10% nei casi in cui la percentuale di volume del tumore superasse anch’essa il 10%. La stiffness è correlata alla forza di compressione massima sostenibile dalla vertebra (R = 0.65) [9] e quindi possibile sfruttarla per stimare il rischio di frattura vertebrale tramite regressione lineare. Seppur con qualche limitazione il prototipo ha mostrato come sia possibile creare modelli patient-specific di vertebra in maniera semplice e veloce. Con uno sviluppo futuro si potrebbe essere in grado di creare in modo automatico questi modelli e, grazie all’utilizzo di software open source, distribuirli ai medici senza imporre il costo di una licenza.