Development and anatomical assessment of population- and sex-specific parametric models of sacrum and pelvis

The pelvis is a fundamental structure in the human body, playing a crucial role in sup porting the spine, transferring loads from the trunk to the lower limbs, and maintaining sagittal alignment. Its mechanical behavior is complex also due to significant sexual dimor phism and interindividual variability, making a detailed understanding of pelvic anatomy necessary for advancing biomechanics, as well as clinical and surgical treatments. To analyze pelvic function and load distribution, three main approaches are available: in vivo analysis, in vitro experimental measurements, and in silico methods. Among the latter, patient-specific modeling, often based on finite elements (FE), has emerged as a powerful tool to accurately simulate pelvic biomechanics, enabling detailed analyses not achievable using in vivo and in vitro studies. The aim of this thesis is to develop a population- and sex-specific parametric CAD model of the pelvis, including sacral and pelvic bones, based on key anatomical parameters estimated using correlations with easily accessible variables, such as subject’s height. The initial model was constructed using literature data and subsequently refined into a Caucasian-specific version, using 3D reconstructions from ex vivo CT scans. To account for the significant sexual dimorphism in pelvic anatomy, separate sex-specific models were developed. The model was validated by comparing its predictions with both CT-derived measurements and literature values. This parametric approach simplifies the assessment of pelvic dimensions, enabling more efficient diagnostics and supporting biomechanical, clin ical and surgical applications. Integration with an existing parametric spine model may enhance the evaluation of spino-pelvic sagittal alignment. This research advances the un derstanding of pelvic biomechanics by addressing population- and sex-specific variations, ultimately contributing to the diagnostics and management of pelvic and spino-pelvic conditions.

Il bacino è una struttura fondamentale del corpo umano, che svolge un ruolo cruciale nel sostenere la colonna vertebrale, nel trasferire i carichi dal tronco agli arti inferiori e nel mantenere l’allineamento sagittale. Il suo comportamento meccanico è complesso a causa del significativo dimorfismo sessuale e della variabilità interindividuale, rendendo la comprensione dettagliata dell’anatomia del bacino essenziale per il progresso sia della biomeccanica, che dei trattamenti clinici e chirurgici. L’analisi della funzionalità pelvica può essere condotta attraverso tre approcci principali: analisi in vivo, misurazioni sperimentali in vitro e metodi in silico. Tra questi ultimi, la modellazione paziente-specifica, spesso basati su elementi finiti (FE), è emersa come uno strumento potente per simulare con pre cisione la biomeccanica del bacino, consentendo analisi dettagliate non ottenibili usando studi in vivo e in vitro. L’obiettivo di questa tesi è sviluppare un modello CAD parametrico del bacino popolazione e sesso-specifico, comprensivo di ossa sacrali e pelviche, per stimare i parametri anatomici chiave sulla base di correlazioni con variabili facilmente accessibili, come l’altezza del soggetto. Il modello iniziale è stato costruito utilizzando i dati della letteratura e suc cessivamente specializzato per popolazioni caucasiche, utilizzando ricostruzioni 3D da scansioni CT ex vivo. Per tenere conto del significativo dimorfismo sessuale nell’anatomia pelvica, sono stati sviluppati modelli specifici separati per ciascun sesso. Il modello è stato validato confrontando le sue previsioni con le misure derivate da immagini CT e con i valori della letteratura. Questo approccio parametrico semplifica la valutazione delle dimensioni del bacino, consentendo una diagnostica più efficiente e supportando nuove applicazioni in ambito biomeccanico, clinico e chirurgico. La sua integrazione con un mod ello parametrico della colonna vertebrale esistente può inoltre migliorare la valutazione dell’allineamento sagittale spino-pelvico. I risultati di questa ricerca contribuiscono a una migliore comprensione della biomeccanica pelvica, affrontando le variazioni specifiche legate alla popolazione e al sesso, contribuendo in ultima analisi alla diagnosi e gestione di condizioni pelviche e spino-pelviche.