Development of a thoracolumbar finite element spine model: kinematic calibration and sensitivity analysis on material properties of lumbar functional spine units

Spinal fusion is the gold standard surgical treatment for spinal deformities to restore spinal alignment and to provide primary stability. However, common postoperative complications include adjacent segment disease, proximal junctional kyphosis, and failure, with reported incidence rates up to 62%. These complications are a multifactorial condition, influenced by both biomechanical and patient-specific factors. Accurate finite element model of spine segments including the complex behaviour of spinal tissues could provide valuable insights in better understanding the causes of these conditions and complications following surgery. The present thesis aims at developing a reliable description of thoracolumbar funtional spinal units (FSUs). The calibration of L4-L5 kinematics by assigning hyperelastic material properties to spinal ligaments was achieved with differences within 23% compared to experimental measurements. The same behaviours were assigned to an entire T12-S1 segment. As some inconsitency was found, a sensitivity analysis on material definition and discretization options for the ligaments was performed on specific FSU. This study stresses on the need to properly model the soft tissues to accurately predict relevant biomechanical parameters.

La fusione spinale rappresenta il trattamento chirurgico di riferimento per le deformità della colonna vertebrale, con l’obiettivo di ripristinare l’allineamento spinale e garantire una stabilità primaria. Tuttavia, le complicanze postoperatorie più comuni includono la sindrome del segmento adiacente, la cifosi giunzionale prossimale e il fallimento giunzionale prossimale, con tassi di incidenza riportati fino al 62%. Queste complicanze hanno un'origine multifattoriale, influenzata sia da fattori biomeccanici che dalle caratteristiche specifiche del paziente. Un modello agli elementi finiti accurato dei segmenti spinali, capace di includere il comportamento complesso dei tessuti della colonna vertebrale, potrebbe offrire preziose intuizioni per comprendere meglio le cause di queste condizioni e delle complicanze post-chirurgiche. La presente tesi si propone di sviluppare una descrizione affidabile delle unità funzionali spinali (FSUs) della regione toracolombare. La calibrazione della cinematica del segmento L4-L5 è stata ottenuta assegnando proprietà iperelastiche ai legamenti spinali, con una differenza rispetto ai dati sperimentali inferiore al 23%. Lo stesso comportamento è stato esteso a un intero segmento T12-S1. Tuttavia, a fronte di alcune discrepanze, è stata condotta un’analisi di sensitività sulla definizione dei materiali e sulle opzioni di discretizzazione per i legamenti in una specifica unità funzionale. Questo studio sottolinea l’importanza di modellare correttamente i tessuti molli per prevedere con accuratezza i parametri biomeccanici rilevanti.