Modellazione micromeccanica di tessuto osseo per l'analisi paziente specifica

Numerous orthopaedic pathologies require surgical interventions that often carry a significant risk of failure and revision surgery, with negative consequences for both patient health and healthcare costs. The adoption of a patient-specific orthopaedic approach represents a promising strategy to improve clinical outcomes. This study aims to evaluate the mechanical properties of different bone districts through an efficient and repeatable method. Clinical computed tomography (CT) images of the femur, tibia, humerus, clavicle, scapula, and vertebrae were segmented and analysed using a MATLAB-developed algorithm. The principal directions of anisotropy were identified through two models based on the inertia matrix and the Gradient Structure Tensor (GST), while the elastic moduli along these directions were estimated using two different approaches for cortical and trabecular bone. Validation on the femur and vertebra highlighted the superiority of the GST method in defining anisotropy directions. Simplifications were also introduced to reduce computational costs, showing that lower image resolution and the analysis of anatomically relevant regions for specific surgical procedures (e.g., tibial plateau or femoral neck) do not significantly compromise the accuracy of mechanical characterization. In conclusion, the patient-specific approach enables reliable predictions of mechanical loads on implants and bone tissue, thereby contributing to reducing the risk of structural failure. However, the complexity and limited reproducibility of certain steps, particularly segmentation, remain current challenges to be overcome for clinical implementation.

Numerose patologie ortopediche richiedono interventi chirurgici che, tuttavia, presentano spesso un rischio significativo di fallimento e reintervento, con conseguenti impatti negativi sulla salute del paziente e sui costi sanitari. L’adozione di un approccio ortopedico paziente-specifico rappresenta una strategia promettente per migliorare l’esito clinico. Il presente studio si propone di valutare le proprietà meccaniche di differenti distretti ossei mediante un metodo efficiente e ripetibile. Immagini cliniche di tomografia computerizzata (TC) di femore, tibia, omero, clavicola, scapola e vertebre sono state segmentate e analizzate tramite un algoritmo sviluppato in Matlab. Le direzioni principali di anisotropia sono state identificate utilizzando due modelli basati su matrice di inerzia e Gradient Structure Tensor (GST), mentre i moduli elastici lungo tali direzioni sono stati stimati attraverso con due approcci differenti per osso corticale e trabecolare. La validazione sul femore e sulla vertebra ha evidenziato la superiorità del metodo GST nella definizione delle direzioni di anisotropia. Sono state inoltre implementate semplificazioni volte a ridurre il costo computazionale, dimostrando che una risoluzione ridotta delle immagini e l’analisi di aree anatomiche d’interesse per determinati interventi chirurgici (es. piatto tibiale o collo femorale) non compromettono significativamente la precisione della caratterizzazione meccanica. In conclusione, l’approccio paziente-specifico consente previsioni affidabili delle sollecitazioni meccaniche su impianti e tessuto osseo, contribuendo a ridurre il rischio di cedimenti strutturali. Tuttavia, la complessità e la scarsa ripetibilità di alcune procedure, in particolare la segmentazione, rappresentano attuali limiti da superare per l’implementazione clinica.