Patient-specific biomechanical models combining multibody MSK and FEM strategies in ArtiSynth software: the case of mandibular bone defects restoration

Mandibular reconstruction is a key procedure for patients with a damaged or resected mandible. Bone augmentation is one of the ways to achieve a restoration, by increasing the bone volume in the defected zone; a reason for doing that is to provide a solid foundation to support a subsequent dental implant. Criticalities in such procedures include the maxillofacial region being very complex and related to vital functions like breathing and nutrition. This is why in silico studies, from multibody musculoskeletal models (MSK) to the use of the finite-element method (FEM), can act as key contributors for preliminary inspections of such cases. This thesis explores the proposal of ArtiSynth, a 3D modelling platform whose purpose is to combine the two aforementioned methods for a deeper and more accurate analysis. The two main objectives of the work are: first to assess on a methodological note how this tool empowers patient-specific modelling, and then to tackle the study of a specific clinical case of mandibular bone defect. The ArtiSynth platform is therefore thoroughly studied and its “openness” is verified successfully, by efficiently integrating a patient-specific jaw with a defect into an already existing model providing other bones and facial muscles. The jawbone is segmented from a CT scan of the patient and imported as a rigid body. A bone filler is created and imported too, but as a FEM model, together with a spherical FEM food bolus used to perform forward-dynamics chewing simulations. What the analysis focuses on is firstly a comparison with the original standard model and then a study of the changes in key variables when the Young’s Modulus of the filler is increased, simulating the natural stiffening of a bone substitute gradually undergoing osseointegration. Chewing kinematics remain mostly unaffected, whereas stress results show how the stiffer filler experiences higher internal stresses right after being loaded, but also more complex patterns once a combination of dynamical factors later comes into place. These findings highlight the value of ArtiSynth’s integrated MSK-FEM simulations for more insightful preliminary studies of mandible defects.

La ricostruzione mandibolare è una procedura chiave per pazienti con una mandibola danneggiata o resecata. L’incremento osseo è una via per ottenere la rigenerazione, aumentando il volume dell’osso nella zona del difetto; una ragione per fare ciò è creare una base solida per supportare un impianto dentale. Le criticità di questa procedura stanno nella complessità della regione maxillofacciale e nel fatto che sia legata a funzioni vitali (respirazione, nutrizione). Per questo motivo studi in silico, come modelli muscoloscheletrici (MSK) e l’uso del metodo degli elementi finiti (FEM), rappresentano un valore aggiunto per ispezioni preliminari di questi casi. Questa tesi studia la proposta di ArtiSynth, un software il cui scopo è combinare i due metodi sopracitati per un’analisi più profonda e accurata. I due obiettivi di questo lavoro sono verificare come questo software open-source favorisca la modellazione paziente-specifica e studiare uno specifico caso clinico di difetto osseo mandibolare. ArtiSynth è analizzato nel dettaglio e la sua “apertura” è verificata con successo, integrando efficacemente una mandibola paziente-specifica in un modello già esistente che fornisce le altre ossa e i muscoli facciali. La mandibola è segmentata da una TAC del paziente e importata come corpo rigido. Un filler osseo viene creato e importato, ma come modello FEM, insieme a un bolo alimentare FEM sferico usato per condurre simulazioni forward-dynamics di masticazione. Ciò su cui si focalizza l’analisi è prima una comparazione con il modello standard, e poi uno studio delle variazioni di grandezze chiave quando la rigidezza del filler viene aumentata, simulando il naturale irrigidimento di un sostituto osseo che va incontro a osteointegrazione. La cinematica di masticazione rimane inalterata, mentre i risultati di sforzo mostrano come il filler più rigido vada incontro a sforzi interni più alti, appena è caricato, ma successivamente anche incontro a pattern più complessi non appena entra in gioco una serie di fattori dinamici. Questi risultati sottolineano il valore delle simulazioni MSK-FEM integrate di ArtiSynth per studi preliminari più approfonditi di difetti mandibolari.