Construction and validation of a musculoskeletal spine CAD model including thoraco-lumbar and abdominal architecture

The biomechanics of the human spine relies on complex interactions between the passive and active (i.e., muscles) systems, and understanding theses mechanisms is fundamental. While traditional in vivo and in vitro studies provide fundamental insights, they face significant limitations, motivating the development of accurate in silico computational models. However, models in the literature are usually simplified and don’t represent muscles or lack their validation. Consequently, the aim of this thesis is the development of a fully parametric thoracolumbar spine CAD model generator with the integration of muscles. Specific objectives include defining a unified skeletal framework by coherently integrating pre-existing thoracic and lumbar anatomical models, implementing a comprehensive thoracic and abdominal muscular architecture, and performing a rigorous anatomical validation against radiographic and in silico data to ensure morphological consistency. The resulting model incorporates a refined thoracic column, the lumbar segment, the pelvis, the thoracic cage, the abdominal cavity, and the thoraco-lumbar muscular architecture. Governing parametric equations allow the geometry to adapt to subject-specific anthropometric variables, providing a scalable framework for biomechanical analysis. Validation of muscle lengths against primary reference datasets yielded mean percentage differences of 14% for thoracic, and 16% for abdominal muscles. Spine muscle architecture was further validated through geometric comparison with the literature, including muscle-to-spine distances and moment arms. The erector spinae showed mean discrepancies of 31% (medio-lateral) and 33% (antero-posterior), while the transversospinales presented lower values of 23% and 14%, respectively. Abdominal muscles demonstrated the strongest agreement, with discrepancies ranging between 5% and 17%, except for the antero-posterior component of the internal oblique. Overall, results confirm consistent anatomical scaling and acceptable geometric fidelity, establishing a solid foundation for future trunk biomechanical simulations.

La biomeccanica della colonna vertebrale umana si basa su complesse interazioni muscoloscheletriche essenziali per la stabilità. Sebbene gli studi tradizionali in vivo e in vitro forniscano conoscenze fondamentali, presentano limiti significativi che motivano lo sviluppo di modelli in silico accurati. Di conseguenza, l’obiettivo principale di questa tesi è lo sviluppo di un generatore CAD parametrico di un modello toraco-lombare della colonna vertebrale. Gli obiettivi specifici includono la definizione di un complesso scheletrico unificato tramite l’integrazione coerente di modelli anatomici toracici e lombari preesistenti, l’implementazione di un’architettura muscolare toracica e addominale completa basata sulla letteratura e una rigorosa validazione anatomica rispetto a dati radiografici e in silico per garantire coerenza morfologica. Il modello risultante incorpora colonna toracica raffinata, segmento lombare, bacino, gabbia toracica e geometria del volume addominale. Equazioni parametriche consentono l’adattamento della geometria a variabili antropometriche specifiche del soggetto, fornendo una struttura scalabile per l’analisi biomeccanica. La validazione delle lunghezze muscolari rispetto ai dataset di riferimento ha mostrato differenze percentuali medie del 14% per i muscoli toracici e del 16% per quelli addominali. L’architettura muscolare spinale è stata ulteriormente validata mediante confronto geometrico con la letteratura, includendo distanze muscolo-colonna e bracci di momento. Gli erector spinae mostrano discrepanze medie del 31% (mediolaterale) e del 33% (anteroposteriore), mentre i transversospinales presentano valori inferiori, rispettivamente del 23% e del 14%. I muscoli addominali mostrano la migliore corrispondenza, con scostamenti tra il 5% e il 17%, salvo la componente anteroposteriore dell’internal oblique. Nel complesso, i risultati confermano una fedeltà geometrica adeguata, ponendo una solida base per future simulazioni biomeccaniche del tronco.