Sviluppo di un protocollo per la caratterizzazione meccanica di metastasi spinali

Spinal bone metastases represent one of the most critical clinical problems for the oncologist. The finite element simulations which, starting from clinical data, analyse the biomechanics of the vertebra, can be a valid tool to improve the therapy. To model the skeleton affected by metastases, however, is necessary to know the mechanical characteristics of those. For this purpose, two devices have been developed: the first that, by using the linear biphasic theory, through a creep protocol in confined compression, is able to measure the aggregate modulus (Ha) and the hydraulic permeability (k); the second that, based on Darcy's law, by applying a pressure head to the sample and measuring the flow rate, it is able to provide the Darcy hydraulic permeability. Since the tests have to take place in the hospital, the two devices have been designed to be light and easy to transport and quick to assemble, moreover particular attention is paid to making their use as simple and intuitive as possible, so that you can master the operation after a few days of practice. The two set-ups were calibrated and validated in the laboratory using a test material with characteristics similar to those of a metastasis: the agarose gel. The tumor tissue was found to have an aggregate modulus Ha = 12.00 ± 4.53 kPa and a hydraulic permeability k = 0.3448 ± 0.233 mm^(4) N^(-1) s^(-1). No particular correlations were found between the information available on the tumor (type of primary tumor, location, demographic of the patient and risk factors to which it was exposed) and the mechanical characteristics obtained with the tests. These characteristics seem to depend instead on the composition of the tissue, which it can be very variable even between tumors of the same type.

Le metastasi ossee spinali rappresentano uno dei problemi clinici più critici che si possano presentare al medico oncologo, le simulazioni ad elementi finiti che, a partire da dati clinici, analizzano la biomeccanica della vertebra, possono essere un valido strumento nella scelta della terapia migliore. Per modellare lo scheletro affetto da metastasi è però necessario determinare le caratteristiche meccaniche di queste ultime. A questo scopo sono stati sviluppati due dispositivi: il primo che, modellando il tessuto con la teoria bifasica lineare, tramite un protocollo di creep in compressione confinata, sia in grado di misurare modulo aggregato (Ha) e permeabilità idraulica (k); il secondo che, basandosi sulla legge di Darcy, applicando un battente di pressione al campione e misurando la portata che lo attraversa, sia in grado di fornire la permeabilità idraulica di Darcy. Siccome i test devono avvenire in ospedale, I due dispositivi sono stati progettati in modo da essere leggeri e facili da trasportare e rapidi da assemblare, inoltre è stata prestata particolare attenzione a rendere il loro utilizzo il più semplice e intuitivo possibile, in modo che si possa padroneggiare il funzionamento dopo pochi giorni di pratica. I due set-up sono stati calibrati e validati in laboratorio usando un materiale di prova con caratteristiche simili a quelle di una metastasi: il gel di agarosio. Il tessuto tumorale è risultato avere un modulo aggregato Ha=12.00 ± 4.53 kPa e una permeabilità idraulica k=0.3448 ± 0.233 mm^4 N^(-1)s^(-1). Non sono state trovate particolari correlazioni tra le informazioni disponibili sul tumore (tipo di tumore primario, posizione, demografica del paziente e fattori di rischio a cui era esposto) e le caratteristiche meccaniche ottenute coi test, mentre sembra che queste ultime siano influenzate dalla composizione del tessuto, che può essere molto variabile anche tra tumori dello stesso tipo.