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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/3674

Title: Sviluppo, valutazione ed applicazione di metodi numerici alternativi al medodo degli elementi finiti in problemi di biomeccanica ortopedica
Authors: Pani, Martino
Supervisor/Tutor: Tonti, Enzo
Issue Date: 21-Apr-2010
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: La predizione del rischio di frattura costituisce un elemento di estremo interesse in ambito clinico quale supporto dei processi diagnostici, di prognosi e di cura; attualmente la valutazione è basata su inferenze statistiche rispetto al contenuto minerale del tessuto osseo in siti specifici a mezzo di speciali immagini radiografiche, realizzandosi valutazioni caratterizzate da un consistente margine di incertezza. Un significativo miglioramento è ragionevole pensare possa derivare dall'uso di modelli numerici tridimensionali subject specific che, fondandosi su immagini diagnostiche, riescano a cogliere le peculiarità morfologiche e costitutive di ogni singolo caso. Ad oggi è stata sviluppata una metodologia di modellazione basata sul Metodo degli Elementi Finiti (FEM) che si è dimostrata precisa nel replicare misure sperimentali su segmenti ossei in vitro; la procedura si basa sulla precisa definizione topologica della superficie dell'osso, e risulta per questo estremamente laboriosa e significativamente impegnativa sia in termini di tempo che di competenze specializzate necessarie; questo fatto ne limita l’uso nella pratica clinica a causa della difficile applicazione su larga scala in tempi contenuti. Scopo della tesi era l’esplorazione di un approccio di modellazione alternativo, in grado di conservare i requisiti di robustezza, accuratezza e generalità della procedura FEM, ma in grado di aumentare il grado di automazione del processo di studio. L’indagine si è concentrata su implementazioni innovative del Metodo delle Celle (CM), un metodo numerico basato sulla formulazione discreta diretta delle equazioni dei campi fisici adatto a studiare sistemi non omogenei e di complessa geometria. Il rifiuto dell'ipotesi di continuo alla base del CM lo rendeva a priori filosoficamente concorde con la natura della sorgente di informazione (le immagini diagnostiche) su cui la procedura di modellazione automatizzata si sarebbe dovuta basare. L'elaborato esplora alcune ipotesi fondate su implementazioni numeriche innovative derivate del Metodo delle Celle: sono stati sviluppati, nella loro impostazione formale e implementativa, tre differenti approcci meshless del CM, approcci nei quali la soluzione viene calcolata in punti tra i quali non è richiesta la definizione di una connettività a livello globale. I tre metodi, accomunati dalla scrittura di un'equazione di bilancio scritta su un area tributaria di nodo definita localmente, sono stati valutati nella prospettiva applicativa del problema di riferimento. Uno di questi approcci, basato sulla creazione di un complesso locale di celle primali, si è dimostrato adatto ad essere applicato nella creazione di modelli numerici automaticamente costruiti sui dataset di immagini diagnostiche. Questa metodologia, denominata Meshless Cell Method (MCM), è stata valutata nella sua applicabilità replicando delle misure sperimentali di deformazione su un esemplare di femore in vitro. La buona capacità di predire i valori sperimentali, malgrado la ridotta risoluzione delle immagini diagnostiche di partenza, ne ha giustificato un più solido e ampio processo di validazione: misure sperimentali di deformazione in vitro in 15 differenti siti anatomici di 8 esemplari di femore in 6 distinte configurazioni hanno costituito l'elemento di confronto rispetto a cui sono state valutate le predizioni dei corrispondenti modelli MCM; ulteriore elemento di valutazione comparativa è stato offerto dalle predizioni di modelli FEM replicanti le stesse prove sperimentali. L'analisi ha evidenziato la buona capacità dei modelli MCM di identificare la realtà sperimentale: il coefficiente di correlazione, i parametri della retta di regressione e gli scarti medio e massimo rispetto alle misure sperimentali si sono dimostrati paragonabili a quanto realizzato dai modelli FEM. Lo studio ha individuato dunque un processo di modellazione numerica di segmenti ossei caratterizzato da un elevato grado di automaticità: il modello numerico viene costruito direttamente sul dataset CT in maniera indipendente dallo specifico segmento osseo rappresentato; la procedura non richiede alcuna manipolazione e si è dimostrato poter ottenere accuratezze nella replicazione delle misure sperimentali in vitro assolutamente concordi con quelle della procedura FEM di riferimento. Il lavoro si colloca nel contesto dell’attività di ricerca del Laboratorio di Tecnologia Medica dell’Istituto Ortopedico Rizzoli di Bologna, struttura presso cui lo studio è stato condotto.
PhD cycle: XXII Ciclo
PhD programme: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN INGEGNERIA CIVILE E AMBIENTALE
Description: 2008/2009
Keywords: Metodo Delle Celle
Ossa
Biomeccanica
Tomografia Assiale
Meshless
Modelli subject-specific
Main language of document: it
Type: Tesi di dottorato
Doctoral Thesis
Scientific-educational field: ICAR/08 SCIENZA DELLE COSTRUZIONI
NBN: urn:nbn:it:units-8941
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