Creare modelli per il rimodellamento osseo
Lo scheletro umano è un sistema gerarchico complesso, in cui i cambiamenti si manifestano spazialmente, a partire dalla cellula fino al livello del corpo, e nel corso del tempo. Questa strutturazione su più scale del rimodellamento osseo impone un approccio alla creazione di modelli capace di integrare più processi che si svolgono su scale temporali e spaziali diverse. Tale descrizione matematica è essenziale non solo per comprendere la natura adattiva delle ossa, ma anche per costruire modelli e agevolare la progettazione di impianti ossei o la diagnosi di malattie. A tal fine, gli scienziati finanziati dall’UE hanno studiato un nuovo strumento per quantificare la deformazione attraverso livelli di cellula e tessuto. Nell’ambito del progetto MAMBO (Methodologically accurate modelling of bone: New experimental methods for the validation of cortical bone tissue computer models), gli scienziati hanno predisposto campioni ossei ricavati da tessuti animali. Le immagini in 3D di tali campioni sono state raccolte durante un processo di caricamento progressivo (stepwise) e correlazione digitale di volume (DVC), adottato per seguire a livello locale gli spostamenti e la deformazione. Uno dei molteplici vantaggi della DVC consisteva nella possibilità di affidarsi a scansioni di tomografia microcomputerizzata ad alta risoluzione, per ottenere il vettore di spostamento in 3D a tutto campo. Successivamente, i campi di spostamento sono stati differenziati tramite differenziazione numerica, per produrre mappe di tensione. A tale scopo, sono state testate tre strategie diverse: due approcci locali basati sulla correlazione diretta e su trasformate di Fourier veloci; un approccio globale basato sul kit di strumenti di registrazione delle immagini di Shieffield (ShIRT) integrato con un risolutore di elementi finiti. Sia gli errori medi che gli errori riguardanti i singoli componenti di spostamenti e tensioni sono stati calcolati in funzione dei parametri di registrazione. Il nuovo approccio globale basato su ShIRT forniva calcoli più precisi di tensioni per il tessuto osseo corticale e trabecolare. Attualmente si riconosce a questo algoritmo la maggiore affidabilità tra i metodi indicati in letteratura. Le deformazioni sono state esattamente computerizzate, ma non sempre una normale risoluzione spaziale di circa 500 μm può essere sufficiente. Il progetto MAMBO ha quindi definito un quadro di esperimenti di validazione, per eseguire i test su nuovi modelli computazionali di ossa a livello di tessuto. Il metodo è stato impiegato per validare i modelli computazionali per l’osso trabecolare, tramite due protocolli di test stepwise indipendenti, all’interno dello stesso dispositivo di scansione microCT. I risultati hanno indicato eccellenti correlazioni tra spostamenti misurati con il metodo DVC e quelli previsti tramite microCT specifica dell’esemplare in base a modelli a elementi finiti. Si tratta di un importante passo avanti verso la validazione di modelli computazionali utilizzabili per studiare il rimodellamento osseo, la forza del tessuto osseo e il comportamento della frattura ossea.
Parole chiave
Rimodellamento osseo, scheletro umano, MAMBO, tessuto osseo, frattura ossea
