Realizzazione di un modello numerico dell'articolazione di caviglia: dalle immagini paziente-specifiche alle simulazioni agli elementi finiti

The identification of the mechanics of ankle joint movement, or biomechanics, is crucial for the correct design of patient-specific devices. There are numerous issues concerning the ankle joint and talus, such as the presence of osteochondral defects or trauma, which require prosthetic intervention. However, implant dislocations and fractures are frequent, and in order to overcome these limitations, patient-specific resurfacing prostheses have been introduced. The aim of this thesis is to develop a numerical ankle model capable of simulating the gait cycle, on which it will be possible to apply a talus resurfacing prosthesis in a later stage. Starting from solutions in literature, different tools were used to perform bone segmentation and discretization. In order to overcome the main limitations of bibliographic models, as well as isotropy and assignment of bone tissue properties, the mechanical characteristics of bones were derived based on grayscale values. The talus, tibia, and fibula were used to set up different numerical simulations. It is considered that the model that comes closest to those found in literature features the presence of the talus and tibia, with their respective cartilages and ligaments, positioned over a large insertion area. In fact, the latter presents forces, contact pressure, and distribution of areas subjected to tension and compression comparable to those in the literature. The obtained model can be used to computationally test the custom-made resurfacing devices.

L’individuazione della meccanica del movimento, o biomeccanica, dell’articolazione di caviglia è fondamentale per la corretta progettazione di dispositivi paziente-specifici. Le problematiche, riguardanti l’astragalo e l’articolazione relativa, come la presenza di difetti osteocondrali o traumi, che rendono necessario l’intervento protesico ad oggi sono numerose. Sono però frequenti dislocazioni e rotture degli impianti tanto che, al fine di superare tali limiti, sono state introdotte delle protesi di rivestimento paziente specifiche. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è lo sviluppo di un modello numerico di caviglia, in grado di simulare il ciclo del passo, su cui, in un secondo tempo, sarà possibile applicare una protesi di rivestimento di astragalo. Partendo da soluzioni presenti in letteratura, ci si è avvalsi di diversi strumenti per eseguire la segmentazione e la discretizzazione delle ossa. Al fine di superare le principali limitazioni dei modelli bibliografici, nonché l’isotropia e l’assegnazione delle proprietà del tessuto osseo, si sono derivate le caratteristiche meccaniche delle ossa sulla base dei toni di grigio. Astragalo, tibia e perone sono stati utilizzati per impostare diverse simulazioni numeriche. Si ritiene che il modello che più si avvicina a quelli trovati in letteratura vede la presenza di astragalo e tibia, con le relative cartilagini e legamenti, posizionati su una vasta area di inserzione. Infatti, quest’ultimo presenta sforzi, pressione di contatto, distribuzione di zone sottoposte a trazione e compressione paragonabili a quelli bibliografici. Il modello ottenuto potrà essere usato per testare, da un punto di vista computazionale, il dispositivo di rivestimento custom-made.