Sviluppo di un modello biomeccanico agli elementi finiti della spalla da immagini MRI: integrazione dei tessuti molli

The shoulder, particularly the glenohumeral joint, is one of the most complex articulations of the human body. Its complexity arises from the relationships between its components, since it needs to ensure both stability and the widest range of motion among all human joints. Existing models in the literature often include significant simplifications, such as the absence of soft tissues, a reduced representation of muscle forces and the exclusive evaluation of static conditions. The present thesis was developed within this context. A patient-specific finite element model (FEM) of the right human shoulder was created, including bones, cartilage, the glenoid labrum, and the glenohumeral ligaments. All these structures were segmented from MRI images while the generated 3D meshes were processed using software such as Meshmixer, Meshlab, and Gmsh. Ligaments were modelled as two-dimensional membranes. With a view to future studies on the anterior stability of the glenohumeral joint, anatomical variants of the glenoid were also generated by modifying its concavity. In addition, to investigate this condition, a FEM simulation was carried out in Abaqus, imposing a critical movement consisting of 90° abduction and 120° external rotation, which characterizes most instability episodes. Kinematic and force data were derived from the Delft Shoulder Model and Elbow musculoskeletal framework implemented in OpenSim for this specific movement. In conclusion, this work enabled the development of a biomechanical (FEM-MSK integrated) model, that is more comprehensive than those commonly reported in the literature, and proposed a reproducible workflow for the model’s creation from patient-specific imaging. Despite several limitations, this work represents a first step toward more in-depth and comparative analyses, laying the foundation for investigating the role of glenoid geometry in anterior shoulder instability. Future developments could aim at tendons, scapulohumeral rhythm, and specific bone defects.

La spalla, in particolare l’articolazione gleno-omerale, è caratterizzata da una complessa interazione tra ossa, cartilagini e tessuti molli, che garantisce un ampio range di movimento sebbene talvolta a discapito della stabilità. Spesso i modelli presenti in letteratura presentano semplificazioni significative, come la mancanza dei tessuti molli, la rappresentazione ridotta delle forze muscolari e la valutazione esclusiva di condizioni statiche. Il lavoro di tesi presentato si articola in questo contesto. È stato sviluppato un modello agli elementi finiti (FEM) paziente-specifico della spalla destra umana, comprendente ossa, cartilagini, cercine glenoideo e legamenti gleno-omerali. Tutte queste strutture sono state segmentate a partire da immagini di risonanza magnetica, le mesh 3D generate sono state elaborate con diversi software come Meshimixer, Meshlab e Gmsh e i legamenti sono stati trattati come membrane bidimensionali. Nell’ottica di futuri studi riguardanti la stabilità anteriore dell’articolazione gleno-omerale sono anche state generate varianti anatomiche della glena modificandone la concavità. Oltre a ciò, per indagare questa condizione è stata condotta una simulazione FEM su Abaqus, imponendo un movimento critico costituito da 90° di abduzione e 120° di extrarotazione, tipico degli episodi di instabilità. I dati cinematici e di forza sono stati derivati dal modello muscoloscheletrico Delft Shoulder and Elbow Model implementato su OpenSim per questo specifico movimento. In conclusione, questo lavoro ha permesso lo sviluppo di un modello biomeccanico (FEM-MSK integrato) più completo di quelli presenti in letteratura, proponendo uno schema ripetibile per la sua creazione a partire da immagini paziente-specifiche. Nonostante le diverse limitazioni presenti, questo modello rappresenta un primo passo verso analisi più approfondite e comparative, ponendo le basi per investigare il ruolo della geometria glenoidea nell’instabilità anteriore della spalla, con sviluppi futuri su tendini, ritmo scapolo-omerale e difetti ossei specifici.