Development and assessment of a thoraco-lumbar musculoskeletal finite element model in standing

Low back pain is considered the leading cause of disability worldwide and constitutes a social problem with significant impact on healthcare systems. Since 90% of low back pain cases are of non-specific type, namely the causes inducing the symptoms are not identified, scientific research is fundamental to assess the spine biomechanics and its effects on related pathologies. In view of the limitations related to in vivo and in vitro studies, in silico studies represent a valuable alternative. For this reason, the aim of the thesis was to develop a T12-S1 Finite Element model that included a faithful muscle architecture to study the effects of muscle forces acting at the lumbar level of the vertebral column. After preliminary validation tests, sensitivity analyses were performed to determine the gravity load centres of mass position, the muscle stiffness coefficient and the role of local and global muscles acting on the spine. Then, the focus was set on the identification of reasonable muscle force configurations in order to simulate the standing task. For each performed numerical simulation, output variables, including global and local range of motions, intradiscal pressures and spinal loads, were evaluated and, when available, compared to in vivo, in vitro and other numerical results found in scientific literature.

La lombalgia è considerata una delle principali cause di disabilità a livello mondiale e costituisce un problema sociale con un impatto rilevante sui sistemi sanitari. Poiché il 90% dei casi di lombalgia è di tipo non-specifico, ovvero le cause dei sintomi non sono identificate, la ricerca scientifica è fondamentale per valutare la biomeccanica della colonna vertebrale e i suoi effetti sulle relative patologie. A causa delle limitazioni associate agli studi in vivo ed in vitro, gli studi in silico rappresentano una valida alternativa. L’obiettivo della tesi è stato quello di sviluppare un modello agli elementi finiti del tratto di colonna T12-S1 che includesse una riproduzione fedele dell’architettura muscolare con lo scopo di studiare gli effetti delle forze muscolari agenti in corrispondenza della regione lombare. In seguito a delle prime prove di validazione preliminare, sono state condotte delle analisi di sensitività per determinare la posizione dei centri di massa relativi a ciascuna forza peso, il coefficiente di rigidezza muscolare e il ruolo dei muscoli locali e globali agenti sulla colonna vertebrale. Successivamente, si è focalizzata l’attenzione sulla ricerca di ragionevoli configurazioni di forze muscolari con l’obiettivo di simulare il mantenimento della postura eretta. A valle di ciascuna simulazione numerica, sono state valutate le variabili di interesse, tra cui range of motions globali e locali, pressioni intradiscali e carichi spinali. Successivamente, tali grandezze sono state confrontate con risultati derivati da studi in vivo, in vitro e da altri studi numerici presenti in letteratura, qualora disponibili.