Periodico bimestrale
Anno XXII, numero 102
gen/feb 2021
ISSN 1128-3874

La nuova frontiera delle simulazioni numeriche: il corpo umano

N. 58 – ottobre 2013

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Giorgio Colombo
Giorgio Colombo

Siamo abituati a pensare alle simulazioni numeriche quali strumenti potenti a supporto dell’indagine scientifica e del processo di sviluppo prodotto in ambito industriale. A fatica scorgiamo in altre applicazioni, pur quotidiane, gli stessi fondamenti metodologici; si pensi al mondo dei giochi e più in generale dell’intrattenimento, che ormai utilizzano intensivamente modelli digitali e simulazioni numeriche. Un settore applicativo noto quasi esclusivamente agli addetti ai lavori è quello della modellazione e simulazione physics-based del corpo umano o di suoi distretti; in tale ambito acquista un particolare rilievo l’approccio “multiscale”, intendendo con tale aggettivo la molteplicità e la granularità dei modelli sviluppati dai ricercatori.  Essi vanno da un estremo, la catena cinematica spaziale costituita da corpi e coppie cinematiche (con eventuali elementi elastici che modellano fasci muscolari, legamenti e tendini) per la simulazione di posture e movimenti, all’opposto, costituito dalla cellula e da aggregati cellulari, utili a simulare ad esempio la nascita e lo sviluppo di patologie. Gli interessi di ricerca dello scrivente lo hanno portato ad analizzare diversi aspetti di questo mondo affascinante; anzitutto, i modelli cinematici del corpo umano completo, che ha utilizzato per analisi ergonomiche a supporto dello sviluppo prodotto e per replicare in un mondo virtuale il comportamento di esseri umani reali. L’interesse si è poi focalizzato sugli arti, in particolare gli inferiori, e sugli strumenti per progettare protesi d’arto meccaniche, sviluppando un processo totalmente digitale, alternativa innovativa al processo di sviluppo manuale, ancora utilizzato in modo pressoché totale nei laboratori ortopedici. Il processo innovativo è basato sul modello digitale dell’arto che ha subito l’amputazione, utilizza strumenti CAD per la progettazione del componente critico della protesi, l’invasatura, simulazioni numeriche per ottimizzarne la forma studiandone l’interazione con il moncone, tecniche di gait analysis virtuale per validarne l’efficacia direttamente sull’avatar del paziente. Attualmente l’interesse è focalizzato su modelli e simulazioni riguardanti l’apparto cardiovascolare, con un’attenzione particolare a quella patologia che colpisce in zone diverse del corpo (le più note, l’addome e il cervello) indicata con il termine “aneurisma”. La modellazione geometrica, basata su immagini acquisite mediante tecniche d’indagine quali la Risonanza Magnetica e la Tomografia Computerizzata, e le simulazioni fluidodinamiche, sono strumenti potenti per una diagnosi più accurata, per la progettazione ottimizzata dell’endoprotesi, per la simulazione in ambito virtuale dell’intervento chirurgico di riparazione. In tutti e tre gli ambiti citati, le tecniche di modellazione e di simulazione utilizzate sono le stesse impiegate in ambito industriale; le tecniche multibody per le catene cinematiche, l’analisi strutturale con il metodo degli elementi finiti, l’analisi fluidodinamica numerica, l’interazione fluido-struttura, sempre numerica. I materiali ingegneristici cedono il posto a quelli biologici, che spesso condividono con I precedenti i modelli matematici, pur con caratterizzazioni differenti, evidenziando il desiderio di utilizzare tutte le conoscenze sviluppate in secoli di ricerca per iniziare a simulare, sia pur in modo goffo e grossolano, la più complessa e stupefacente “macchina” con la quale abbiamo a che fare, il nostro corpo.

Giorgio Colombo

Dipartimento di Meccanica
Politecnico di Milano

— Giorgio Colombo

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