Sviluppo di un modello ad elementi finiti di articolazione di caviglia: applicazione ad un prototipo di protesi personalizzata di talo

In the field of finite element simulations the study of the biomechanical behavior of joints, particularly the ankle, is a widespread and growing branch of scientific research. Indeed, through the creation of computational models, it is possible to model structures with irregular geometries and complex material properties and conduct biomechanical analyses by simulating complicated boundary and loading conditions. Computational models of the ankle joint that can be found in literature have several simplifications and do not share a defined methodology and consistent outputs. The talus is a key bony element in the ankle joint: in fact, it is responsible for the transmission of body weight load to the foot and the movements of the entire anatomical complex. Because of its central role, it could be subjected to the occurrence of pathologies that could lead to the need for the introduction of total replacement implants. To date, these solutions have both short and long-term disadvantages that could be addressed with the implantation of a custom resurfacing prosthesis suitable for replacing only the damaged portion of the bone. The aim of this thesis work is to identify the strength and overcome the limitations of different approaches in literature in order to develop a computational model of the ankle joint from patient clinical data. After assessing the reliability of the physiologic model, it will be modified to test a patient-specific talus resurfacing prosthesis.

Nell’ambito delle simulazioni ad elementi finiti lo studio del comportamento biomeccanico delle articolazioni, in particolare della caviglia, è una branca di ricerca diffusa e in crescita. Infatti, attraverso la creazione di modelli computazionali, è possibile modellare strutture con geometrie irregolari e proprietà dei materiali complesse, e condurre analisi biomec- caniche simulando condizioni al contorno e di carico differenti. I modelli computazionali dell’articolazione di caviglia attualmente presenti in letteratura presentano diverse sempli- ficazioni e non condividono una metodologia definita e output coerenti. L’astragalo è un elemento osseo fondamentale nell’articolazione della caviglia: infatti, è responsabile della trasmissione del carico del peso corporeo al piede e dei movimenti dell’intero complesso anatomico. Per il ruolo centrale che riveste, può essere soggetto all’insorgenza di patologie che potrebbero portare alla necessità dell’introduzione di impianti di sostituzione totale. Queste soluzioni presentano, ad oggi, svantaggi sia a breve che a lungo termine i quali si potrebbero superare con l’impianto di una protesi di ricoprimento paziente-specifica atta alla sostituzione della sola porzione di osso danneggiata. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di individuare i punti di forza e superare i limiti dei diversi approcci presenti in letteratura al fine di sviluppare un modello computazionale dell’articolazione di caviglia a partire dai dati clinici del paziente. Valutata l’affidabilità del modello fisiologico, questo verrà modificato per testare una protesi di ricoprimento dell’astragalo paziente-specifica.