Biomeccanica computazionale

L'unità di Biomeccanica Computazionale è finalizzata allo studio della biomeccanica dell’apparato muscoloscheletrico attraverso i metodi della modellazione numerica a diverse scale dimensionali (dall’intero organismo alla microstruttura). Lavoriamo in stretta collaborazione con la clinica per lo sviluppo di modelli predittivi e personalizzati a partire da dati diagnostici, e con le altre unità del Laboratorio per lo sviluppo di esperimenti finalizzati alla validazione dei modelli.
Il principale interesse di ricerca del gruppo è lo sviluppo di modelli numerici multiscala per lo studio della biomeccanica del sistema muscoloscheletrico

Le applicazioni cliniche principali di questi modelli sono ad oggi:

  1. predizione del rischio di frattura legato all'osteoporosi (principalmente nel femore prossimale e nelle vertebre) o ad altre patologie che compromettono la resistenza meccanica dell’osso;
  2. analisi della funzionalità e del rischio biomeccanico per sistemi osso-protesi (con particolare riferimento all’artroprotesi d'anca);
  3. analisi della competenza meccanica di grandi ricostruzioni scheletriche in oncologia pediatrica.

Disponiamo di procedure di modellazione consolidate, pubblicate e, ove possibile, validate, con le quali siamo in grado di indirizzare studi clinici sperimentali relativamente ai problemi clinici sopra evidenziati. Nel contempo continuiamo a porre particolare attenzione al miglioramento e allo sviluppo delle seguenti metodologie numeriche:

  1. Modellazione FEM personalizzata dei segmenti ossei da dati diagnostici (es. Computed Tomography, MRI) (minimizzazione dell'informazione necessaria per costruire i modelli, metodi di modellazione statistica e automazione, modellazione del legame costitutivo del tessuto osseo) e relativa validazione in vitro per confronto con dati sperimentali;
  2. Modellazione muscoloscheletrica con modelli multicorpo, per la determinazione delle forze muscolari agenti sulle ossa (sviluppo e ottimizzazione dei modelli cinematici dei giunti, sensibilità delle predizioni modellistiche con metodi probabilistici);
  3. caratterizzazione biomeccanica del tessuto osseo con modelli FEM di biopsie basati su dati microCT;
  4. sviluppo del metodo delle celle (metodo alternativo al FEM, basato su una formulazione discreta delle leggi fisiche), con particolare attenzione alla verifica del metodo e sua applicazione alla biomeccanica dell’osso;
  5. sviluppo di software per la fusione di dati e segnali biomedicali:
  • Bonemat© per la mappatura proprietà meccaniche su modelli FEM di segmenti ossei;
  • NMSBuilder per la generazione di modelli personalizzati muscoloscheletrici a partire da dati diagnostici e successiva integrazione con il solutore OpenSim.

Collaboriamo con numerosi partner italiani ed internazionali (europei, americani ed australiani) sia di ricerca che clinici. Abbiamo preso parte, come partner ed anche come coordinatori, in numerosi progetti europei, nazionali e regionali.

Tesi disponibili

Per l’anno 2015-2016 sono disponibili tesi di laurea magistrale per studenti di Ingegneria, Matematica, Fisica o Informatica nei seguenti ambiti:

MicroFEM/caratterizzazione tessuto osseo

  1. Stima delle proprietà meccaniche elastiche e a rottura del tessuto osseo trabecolare umano, attraverso modelli numerici accoppiati a scansioni microCT e misure sperimentali basate su tecniche di correlazione digitale di immagine.
  2. Identificazione e verifica della funzionalità di algoritmi per la determinazione della anisotropia dell'osso trabecolare da dati CT/micro CT, con applicazione alla modellazione ad elementi finiti di segmenti ossei.

Modellazione FEM di segmenti ossei

  1. Modelli ad elementi finiti subject specific per la stima della resistenza ossea: applicazione a casi clinici
  2. Algoritmi di deblurring e/o stima di spessore e densità dell'osso corticale: possono incrementare l'accuratezza dei modelli ad elementi finiti subject specific di segmenti ossei?
  3. (questa proposta di studio si colloca a cavallo tra il FEM a livello d'organo e il microFEM) Quali caratteristiche microstrutturali sono fondamentali per la stima accurata della resistenza vertebrale?

Modellazione del sistema muscoloscheletrico

  1. Valutazione delle funzionalità muscoloscheletriche post-operatorie in soggetti displasici;
  2. Quali sono i carichi articolari e le forze muscolari in età pediatrica? Realizzazione, a partire da dati di analisi del cammino e attraverso modelli muscoloscheletrici probabilistici, di un database indicizzato dei carichi articolari e muscolari agenti sulle ossa dell'arto inferiore in pazienti pediatrici;
  3. (questa proposta di studio si riferisce allo sviluppo di modelli muscoloscheletrici accoppiati a modelli FEM) Qual è lo stato di sollecitazione indotto nei principali segmenti ossei dell'arto inferiore dalle attività motorie più comuni (cammino in piano, salita/discesa scale, alzata dalla sedia)?
  4. Modelli muscoloscheletrici guidati da sensori inerziali e/o elettromiografia: sviluppo di metodi e confronto delle predizioni rispetto a modelli basati su stereofotogrammetria;
  5. Implementazione di diverse strategie di coordinazione muscolare per il calcolo di carichi muscoloscheletrici.

Selezione di pubblicazioni recenti

(un elenco completo è disponibile alla pagina Pubblicazioni):

  • Valente G, Pitto L, Testi D, Seth A, Delp SL, Stagni R, Viceconti M, Taddei F. Are subject-specific musculoskeletal models robust to the uncertainties in parameter identification? PLoS One. 2014 Nov 12;9(11):e112625.
  • Taddei F, Palmadori I, Taylor WR, Heller MO, Bordini B, Toni A, Schileo E. European Society of Biomechanics S.M. Perren Award 2014: Safety factor of the proximal femur during gait: A population-based finite element study. J Biomech. 2014 Nov 7;47(14):3433-40.
  • Schileo E, Balistreri L, Grassi L, Cristofolini L, Taddei F. To what extent can linear finite element models of human femora predict failure under stance and fall loading configurations? J Biomech. 2014 Nov 7;47(14):3531-8.
  • Grassi L, Schileo E, Boichon C, Viceconti M, Taddei F. Comprehensive evaluation of PCA-based finite element modelling of the human femur. Med Eng Phys. 2014 Oct;36(10):1246-52.
  • Falcinelli C, Schileo E, Balistreri L, Baruffaldi F, Bordini B, Viceconti M, Albisinni U, Ceccarelli F, Milandri L, Toni A, Taddei F. Multiple loading conditions analysis can improve the association between finite element bone strength estimates and proximal femur fractures: a preliminary study in elderly women. Bone. 2014 Oct;67:71-80.
  • Hazrati Marangalou J, Ito K, Taddei F, van Rietbergen B. Inter-individual variability of bone density and morphology distribution in the proximal femur and T12 vertebra. Bone. 2014 Mar;60:213-20.
  • Valente G, Taddei F, Jonkers I. Influence of weak hip abductor muscles on joint contact forces during normal walking: probabilistic modeling analysis. J Biomech. 2013 Sep 3;46(13):2186-93.
  • Taddei F, Martelli S, Valente G, Leardini A, Benedetti MG, Manfrini M, Viceconti M. Femoral loads during gait in a patient with massive skeletal reconstruction. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2012 Mar;27(3):273-80.
  • Martelli S, Taddei F, Schileo E, Cristofolini L, Rushton N, Viceconti M. Biomechanical robustness of a new proximal epiphyseal hip replacement to patient variability and surgical uncertainties: a FE study. Med Eng Phys. 2012 Mar;34(2):161-71.
  • Martelli S, Taddei F, Cappello A, van Sint Jan S, Leardini A, Viceconti M. Effect of sub-optimal neuromotor control on the hip joint load during level walking. J Biomech. 2011 Jun 3;44(9):1716-21.
Contenuto aggiornato il 18/01/2017 - 16:07
Redazione contenuti: Dott. Andrea Paltrinieri (redazioneweb@ior.it)
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