Refinement and assessment of a biomechanical finite element model of the thoraco-lumbo-sacral spine

Low back pain is one of the leading causes of disability worldwide and is frequently associated with altered load transmission and mechanical instability of the lumbosacral spine. Due to its structural and mechanical complexity, understanding load-sharing mechanisms in this region remains challenging. Experimental investigations provide valuable insights but are limited by invasiveness, restricted access to internal mechanical quantities and simplified loading conditions. Finite element (FE) modelling therefore represents an effective tool to investigate spinal biomechanics under controlled and reproducible conditions. The aim of this thesis is to refine and extend a previously developed parametric thoracolumbar FE model to achieve a mechanically coherent representation of the lumbosacral segment. Geometric modifications were implemented in a CAD environment to adapt the distal configuration and ensure continuity with the sacral representation while preserving the parametric framework. The refined model was evaluated under pure moment and follower load conditions. Pure moments enabled direct comparison with experimental and numerical studies reported in the literature, whereas follower loads reproduced a physiologically representative compressive state along the spinal curvature, accounting for the stabilizing effect of axial loading. Model predictions were compared with published data to assess the consistency of the simulated biomechanical response. Biomechanical indicators, including range of motion, intradiscal pressure, ligament strain and facet joint forces were analysed to evaluate load-sharing behaviour. The results highlight the importance of anatomically coherent lumbosacral integration in influencing load distribution and segmental mechanical response. The proposed computational framework provides a consistent tool for investigating lumbosacral biomechanics and may support future studies on spinal degeneration.

La lombalgia è una delle principali cause di disabilità a livello mondiale ed è frequentemente associata ad alterazioni nella trasmissione dei carichi e a instabilità meccanica della colonna lombosacrale. A causa della sua complessità strutturale e meccanica, la comprensione dei meccanismi di condivisione del carico in questa regione rimane impegnativa. Le indagini sperimentali forniscono informazioni preziose, ma sono limitate dall’invasività, dalla ridotta accessibilità alle grandezze meccaniche interne e da condizioni di carico semplificate. La modellazione agli elementi finiti (FE) rappresenta pertanto uno strumento efficace per indagare la biomeccanica spinale in condizioni controllate e riproducibili. L’obiettivo di questa tesi è rifinire ed estendere un modello parametrico toracolombare agli elementi finiti precedentemente sviluppato al fine di raggiungere una rappresentazione meccanicamente coerente del segmento lombosacrale. Sono state implementate modifiche geometriche in ambiente CAD per adattare la configurazione distale e garantire la continuità con la rappresentazione del sacro, preservando la natura parametrica del framework. Il modello rifinito è stato valutato sotto condizioni di carico a momento puro e di follower load. I momenti puri hanno consentito un confronto diretto con studi sperimentali e numerici riportati in letteratura, mentre le condizioni di follower load hanno permesso di riprodurre uno stato compressivo fisiologicamente rappresentativo lungo la curvatura spinale, tenendo conto dell’effetto stabilizzante del carico assiale. Le previsioni del modello sono state confrontate con dati pubblicati per valutare la coerenza della risposta biomeccanica simulata. Indicatori biomeccanici, inclusi range di movimento, pressione intradiscale, deformazione dei legamenti e forze nelle articolazioni faccettarie, sono stati analizzati per valutare il comportamento di trasferimento del carico. I risultati evidenziano l’importanza di un’integrazione lombosacrale anatomicamente coerente nell’influenzare la distribuzione dei carichi e la risposta meccanica segmentale. Il framework computazionale proposto fornisce uno strumento coerente per l’indagine della biomeccanica lombosacrale e può supportare studi futuri sulla degenerazione spinale.