Estimation of spinal loads in adolescent idiopathic scoliosis: coupling a finite element model with a musculoskeletal model

Adolescent Idiopathic Scoliosis (AIS) is a three-dimensional deformation of the spine that affects people between the ages of 10 and 18 and whose underlying cause is unknown. The progression of the deformity increases because of the incorrect distribution of spinal loads due to the pathological curvature. Biomechanical models allow evaluation of changes in growth patterns associated with alterations in load distribution, thus obtaining valuable information for understanding this pathology and helping in the treatment. So, this project aims to couple a musculoskeletal model (MSK) in OpenSim, that offers a macroscopic view, with a highly detailed finite element (FE) model in Abaqus. Both are patient-specific, obtained from bi-planar X-ray images (EOS) of two subjects, and related to a static upright position. The analysis focuses on the most deformed segment of the spine, located in the thoracic part, and on a lumbar functional spinal unit, as a comparison. To achieve the interface between the two models, it is first necessary to extract the data regarding forces, points of attachment, and moments acting on the vertebrae from OpenSim. The correctness has been verified by calculating the equilibrium of forces and moments for each vertebra. Next, it has been required to match the reference systems of the models to apply correctly the extracted loads in the FE model. Lastly, the finite element model has been adapted to reflect the anatomy (for example adding the ligaments) and the loading condition. The results suggest that it is possible to extract the loads from OpenSim's MSK model and apply them correctly in the final FE model, respecting the vertebral anatomy. However, significant errors have been obtained in the calculation of reaction moments in Abaqus, highlighting the kinematic differences between the two models and the necessity for further adaptations. Despite these discrepancies, the FE model showed reasonable results regarding the intradiscal pressure and stress distribution, confirming the validity of the model in reproducing the anatomical situation.

La scoliosi idiopatica adolescenziale è una deformazione tridimensionale della colonna vertebrale che colpisce persone di età compresa tra i 10 e i 18 anni e la cui causa è sconosciuta. La progressione della deformità aumenta a causa della scorretta distribuzione dei carichi spinali dovuta alla curvatura patologica. I modelli biomeccanici consentono di valutare, durante la crescita, i cambiamenti associati alle alterazioni nella distribuzione del carico, ottenendo così informazioni preziose per la comprensione di questa patologia e per il suo trattamento. Questo progetto mira quindi ad accoppiare un modello muscoloscheletrico (MSK) in OpenSim, che offre una visione macroscopica, con un modello altamente dettagliato ad elementi finiti (FE) in Abaqus. Entrambi sono paziente-specifico, ottenuti da immagini radiografiche biplanari (EOS) di due soggetti e riferiti ad una posizione eretta statica. L'analisi si concentra sul segmento più deformato della colonna vertebrale, situato nella parte toracica, e su un'unità funzionale spinale lombare, come confronto. Per realizzare l'interfaccia tra i due modelli è necessario innanzitutto estrarre da OpenSim i dati relativi alle forze, ai punti di inserzione e ai momenti che agiscono sulle vertebre, la cui correttezza è stata verificata calcolando l'equilibrio delle forze e dei momenti per ogni vertebra. Successivamente, sono stati fatti corrispondere i sistemi di riferimento dei due modelli per applicare correttamente i carichi estratti. Infine, il modello FE è stato adattato per rispettare l'anatomia (ad esempio aggiungendo i legamenti) e le condizioni di carico. I risultati suggeriscono che è possibile estrarre i carichi dal modello MSK ed applicarli correttamente nel modello FE. Tuttavia, sono stati ottenuti errori significativi nel calcolo dei momenti di reazione in Abaqus, evidenziando le differenze cinematiche tra i due modelli e la necessità di ulteriori adattamenti. Nonostante queste discrepanze, il modello FE ha mostrato risultati ragionevoli per quanto riguarda la pressione intradiscale e la distribuzione degli sforzi, confermando la validità del modello nel riprodurre la situazione anatomica.