Analisi agli elementi finiti e odontoiatria: possibile strumento predittivo o solo teoria?

L'analisi agli elementi finiti (FEM - Finite Element Analysis) è una tecnica che riproduce virtualmente, dal punto di vista fisico-meccanico, una condizione reale per studiare l'interazione tra oggetti diversi e predire il loro comportamento reciproco sotto determinate condizioni di carico e stress.

E' una tecnica che deriva dall'ingegneria ed è tutt'oggi applicata a molti campi dell'industria meccanica, aeronautica e anche nel settore biomedicale.

Normalmente questo tipo di analisi, data la sua difficoltà, viene limitata a dispositivi biomedici prima della loro produzione industriale per verificarne le proprietà meccaniche in relazione alla loro forma. Si pensi ad esempio alle varie protesi (anca, mandibola, bacino...): queste vengono esaminate tramite FEM prima della loro produzione per verificarne la corrispondenza con i criteri biomeccanici a cui devono far fronte una volta impiantate.

Tuttavia l'utilizzo della FEM si è gradualmente esteso anche nel settore medicale per lo studio di parti anatomiche meccanicamente attive. Tra le applicazioni dell'analisi agli elementi finiti in medicina troviamo sicuramente la simulazione dell'apertura di stent endovascolari e la simulazione dei carichi su una protesi ortopedica.

In letteratura c'è una buona quantità di materiale che riporta studi FEM effettuati anche in odontoiatria come valutazione della risposta meccanica degli elementi dentali sottoposti a carichi di varia natura. Lo sviluppo concreto e reale di questa tecnica è praticamente fermo alla sola divulgazione scientifica. Non esiste cioè una vera applicazione pratica di routine che consente agli odontoiatri di utilizzare questo strumento come sistema predittivo di eventi traumatici post-implantari oppure come test di resistenza meccanica di un impianto in base alla quantità di osso disponibile nel sito implantare (ad esempio). Dunque, parlando realisticamente, la FEM è una tecnica utile ma decisamente poco immediata per poterla utilizzare in un contesto routinario. A questo punto mi pongo due domande:

1. Quali sono i reali vantaggi che questa tecnica potrebbe apportare per il buon esito di un trattamento chirurgico implantare o ortodontico? 2. E' davvero così complesso realizzare un'analisi FEM tanto da non poterla utilizzare in forma routinaria? Per la mia breve esperienza in questo ambito cerco di rispondere a queste domande concretamente. Quali sono i reali vantaggi che questa tecnica potrebbe apportare per il buon esito di un trattamento chirurgico implantare o ortodontico? La FEM è una tecnica che si basa su una approssimazione. Questo è importante chiarirlo. L'approssimazione è dovuta al fatto che questa tecnica riproduce virtualmente una condizione reale basandosi su dati inseriti dall'utente. Questi dati riguardano ad esempio le proprietà dei materiali, l'entità delle forze di carico applicate su un oggetto, la geometria dell'oggetto stesso. E' ovvio che non esistono questi dati in forma paziente-specifica, si tratta cioè di dati generalizzati e approssimativi che possono essere reperiti solo da studi di letteratura. E' chiaro infatti che non possiamo conoscere le proprietà meccaniche dell'osso di un determinato paziente in uno specifico punto anatomico. Teoricamente si potrebbe conoscere effettuando un prelievo bioptico e analizzando con tecniche di imaging (micro-ct) ma oltre che invasivo rimane comunque un metodo approssimativo perchè la densità ossea in un punto non chiarisce la densità ossea nei restanti punti dell'anatomia da valutare. Analogamente non possiamo conoscere le proprietà meccaniche del legamento parodontale di un paziente specifico. In letteratura però ci sono diversi studi (vedi note) che dimostrano come questi dati esistono, sono catalogati e sono da intendersi come dati generali che approssimano bene il comportamento dei vari tessuti umani dal punto di vista meccanico.

Proprietà fisico - meccaniche di alcuni materiali (Titanio, Cromo Cobalto, Procellana) e tessuti umani (Dentina, legamento parodontale, osso spongioso). Da: http://www.jdionline.org/article.asp?issn=0974-6781;year=2011;volume=1;issue=2;spage=75;epage=79;aulast=Kumar#ref8

Parlando concretamente: qual'è il valore aggiunto che la FEM potrebbe dare ad un odontoiatra? Ci sono diverse finalità che questa tecnica può raggiungere e non è possibile elencarle tutte ma si può fare qualche esempio. - avendo a disposizione un esame radiologico CT ad alta risoluzione, le geometrie 3D di un impianto specifico e la ricostruzione 3D dell'anatomia paziente-specifica del sito implantare si può ad esempio calcolare lo stress perimplantare durante i carichi indotti dalla masticazione. Non è questa ovviamente la sede per approfondire in che modo sarebbe possibile identificare tali carichi e in che modo questi possono essere rilevati o ipotizzati. - si possono simulare interventi chirurgici con diverse tipologie di impianto e verificare come (teoricamente) risponde l'osso spongioso alle sollecitazioni indotte dalla procedura chirurgica e dall'osteointegrazione dell'impianto stesso. Questo permette quindi di valutare l'impianto teoricamente più adatto a quello specifico caso clinico; - in ortodonzia, a mio avviso, ci sono le applicazioni più concrete e realistiche di questa tecnica. Si possono infatti simulare spostamenti dentali fisicamente corretti in base a delle forze note. Questo consente quindi di verificare ad esempio il migliore posizionamento di un elemento ortodontico valutandone le varie posizioni e le implicazioni che ne derivano.

Modello di mascellare superiore paziente-specifico da TAC con segmentazione degli elementi dentali processato e ottimizzato per l'analisi FEM. La strutture "wireframe" nera che si vede sul modello rappresenta la mesh 3D ottimizzata per la FEM. I punti in cui le geometrie wireframe si incontrano sono definite "NODI": un più alto numero di nodi assicura un risultato di simulazione più accurato rispetto ad un basso numero di nodi. Da: http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1678-77572014000100052

Immagine che mostra la concentrazione spaziale dello stress delle superfici di elementi dentali inseriti all'interno dell'osso. Da: http://www.jdionline.org/article.asp?issn=0974-6781;year=2011;volume=1;issue=2;spage=75;epage=79;aulast=Kumar#ref8

E' davvero così complesso realizzare un'analisi FEM tanto da non poterla utilizzare in forma routinaria?

Fino a qualche anno fa i software che consentivano questo tipo di analisi erano scarsamente "user-friendly" ed erano basati su interfaccie non propriamente accessibili a chiunque. Nel corso degli anni poi sono nati ulteriori programmi come Abaqus o ANSYS solo per citarne alcuni che presentano invece un'interfaccia più gestibile anche se rimane, comunque, un certo grado di complessità. Negli ultimi 2 anni si sono affacciati sul mercato alcuni sistemi che consentono lo svolgimento di una analisi FEM con una procedura quasi "passo-passo", esattamente le stesse modalità operative che si usano quando si utilizzano software dentali (vedi Exocad e altri). Queste piattaforme hanno comunque un certo grado di difficoltà per un principiante in quanto è necessario conoscere almeno le basi del trattamento di un modello 3D da predisporre ad analisi FEM e alcune basi di meccanica dei solidi. Tuttavia, con un po di applicazione, sarebbe certamente possibile trasformare queste piattaforme in strumenti potenzialmente utili all'odontoiatra nei casi più complessi da risolvere. La piattaforma di cui parlo è SimScale.

Per concludere: mi piacerebbe aprire un dibattito su questo tema, sapere cosa ne pensano i medici e capire quali potrebbero essere le applicazioni reali di questa tecnica di indagine virtuale. Personalmente sono in grado di utilizzare questi strumenti e, se a qualcuno venga voglia di approfondire, posso dare un contributo per alcune analisi di test. Note: - Three-dimensional finite element analysis of the stress distribution around the implant and tooth in tooth implant-supported fixed prosthesis designsKumar G Arun, Kovoor Lin Cherian, Oommen Vinni Mary Journal of Dental Implants Year : 2011 | Volume: 1 | Issue Number: 2 | Page: 75-79 - XUE, Junjie et al. Finite element analysis of rapid canine retraction through reducing resistance and distraction. J. Appl. Oral Sci. [online]. 2014, vol.22, n.1 [cited 2018-02-01], pp.52-60. Available from: http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1678-77572014000100052&lng=en&nrm=iso ISSN 1678-7757. http://dx.doi.org/10.1590/1678-775720130365.

L'immagine di apertura è tratta da: http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S2176-94512015000200119

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