VERTEBRALE PER LO STUDIO NEL CONTROLLO STATICO E DINAMICO IN LAVORATORI ADDETTI ALLA MOVIMENTAZIONE DEI CARICHI MANUALI.
Francesco Troìa
INAIL Matera. Specialista Ortopedico / Fisiatra / Medico Legale / Criminologia e Psichiatria Forense.
Sommario: Le patologie del rachide su base posturale rappresentano un importante problema nella medicina sociale ed in particolare in quella previdenziale data la loro elevata frequenza.Nella eziopatogenesi di tale affezioni si possono individuare fattori costituzionali,anagrafici,metabolici,endocrini psicologici e lavorativi.Lo scopo di questo lavoro è quindi di fare un escursus fra i principali argomenti di valutazione clinico strumentale in grado di individuare gli elementi causali o concausali nel determinismo delle molte note alterazioni cronico organizzative a carico di una colonna sia normo che ipersollecitata.Si procederà alla definizione di postura ideale e quindi alcune considerazioni di ordine biomeccanico nel calcolo delle tensioni in una ottica matetematica con lo studio dei modelli tridimensionali ed il calcolo delle relative tensioni sui segmenti vertebrali in riferimento alle forze determinate dalla azione dei muscoli vertebrali nel regolamentare la postura sia statica che dinamica della colonna.Sarammo evidenziate alcuni esempi con lo studio della analisi cinematica ed in particolare con lo studio della accelerazione ed altri parametri che influiscono nella determinazione della movimentazione dei carichi e successivamente si svilupperanno alcuni concetti di ordine medico legale per la dimostrazione del nesso causale fra la lavorazione e la patologia vertebrale tenendo in debita considerazione le notevoli preesistenze che possono aversi a carico di questo organo.
Tutte le sollecitazioni che pervengono sulla colonna vertebrale ed in particolare la movimentazione dei carichi nell’espletamento di alcune attività lavorative impongono un duplice punto di vista.Preliminarmente le forze che si applicano alle strutture rachidee e che seguendo la recente classificazione possono suddividersi in quattro gruppi fondamentali.In secondo luogo bisogna considerare le diverse prestazioni fisiche secondo la loro durata nel tempo ed in rapporto al tipo di impegno richiesto.Considerando dettagliatamente le quattro suddivisioni delle forze per compressione,per distrazione,per torsione e per taglio,.Le forze di compressione sono più evidenti in particolari attività in cui il lavoratore ha un atteggiamento più eretto e quindi sollecita maggiormente il tratto lombo sacrale,in altre attività in cui il collo è il tratto più impegnato come vedremo più avanti.Le forze per distrazione invece sono più evidenti quando si mantiene il collo in costante iperestensione quelle di taglio agiscono nei soggetti iperlordotici a livello dei quali qualsiasi forza degli altri tre gruppi finisce per trasformarsi almeno in parte in forza da taglio le forze di torsione sono molto rilevanti quando si compie un movimento di rotazione brusca per centinaia di volte.Particolarmente importanti sono anche alcune caratteristiche fisiche del tessuto
osseo del corpo vertebrale la densità,il modulo di elasticità il carico di rottura alla trazione e quello di compressione oltre che quello al taglio e la durezza dell’osso.La postura alla funzione statica di sostegno e contribuisce il pilastro anteriore disco somatico mentre qa quella dinamica il pilastro posteriore costituito dall’impilamento degli archi e delle articolazioni interapofisarie posteriori.I fattori condizionanti la postura sono :
1. l’equilibrio nella ripartizione del carico sul comparto anteriore e posteriore 2. integrità anatomica delle strutture di sostegno e mobili
3. costituzione del soggetto
4. modalità di variazione delle richieste
5. validità della pressione intraddominale condizionata dalla valida contrazione dei muscoli addominali
6. espansibilità dell’apparato respiratorio che condiziona la cifosi dorsale 7. caratteristiche psicologiche e comportamentali del soggetto
Sono da considerare vizi posturali tutte le alterazioni funzionali e anatomiche nelle distribuzioni delle forze di carico del rachide o di segmenti articolari.Quale conseguenza di tali condizioni è la necessità di ricorrere a schemi di movimento alterati in cui prevalgono copmpensi talora eccessivi al fine delle più comuni performaces motorie.La postura può essere anche compromessa da modificazioni patologiche dei suoi elementi strutturali e della loro relativa condizione statico dinamica.Infatti qualsiasi variazione biomeccanica del segmento mobile per alterazioni relative al pilastro posteriore o anteriore può giustificare una patologia acuta o cronica del rachide ,causa di alterata postura,è anche possibile però che una alterazione delle faccette possa ripercuotersi negativamente sul disco.Nella normale postura eretta del carico si distribuisce in modo omogeneo tra il pilastro anteriore o quello posteriore quando invece il soggetto è in ipertensione il carico grava tanto più sulle faccette quanto più accentuata è la lordosi lombare,Nella postrura in flessione ma con la cifosi dorsale normale,la sollecitazione del carico prevale sul pilastro anteriore ma sollecita in distrazione il segmento mobile,ossia i legamenti sovraspinosi,la capsula delle articolazioni interapofisarie posteriori e la porzione posteriore dell’anulus.Una condizione di sovraccarico può verificarsi anche in torsione quando i muscoli erettori entrano in contrazione simultaneamente al movimento di torsione in tale condizione vengono danneggiate sia le fibre deell’anulus che le faccette a livello lombare anche per una rotazione di pochi gradi con possibile conseguente protrusione discale.Le possibili variazioni di pressione intracapsulare a livello delle faccette lombari in rapporto alla attività fisica e agli atti respiratori sono riportate come segue:
1. Profonda inspiorazione +1,4 mmHg 2. Manovra di Valsala -1,4 mmHg 3. Normale espirazione -0,9 mmHg 4. Estensione passiva a.in. -3,0 mmHg 5. postura seduta + 8,0 mmHg
La componente muscolare nella stabilità dei vari segmenti scheletrici e l’equilibrio dipendono dal tono e dalla tensione fibroelastica di una catena dei muscoli posteriori detti “statici” poliarticolari che si estensodno dalle dita dei piedi all’occipite,i muscoli intervengono anche con la loro contrazione che risponde al gioco dei riflessi posturali comandato da motoneuroni di tipo alfatonico che scaricano impulsi in modo più modulato e prolungato rispetto ai motoneuroni alfafasici,che penetrano nei muscoli ad azione dinamica.I muscoli delle docce vertebrali fissano la colonna vertebrale ed hanno una funzione estensoria latero flessoria e rotatoria.;il muscolo deputato a questa triplice funzione è il muscolo traverso spinale;i muscoli che garantiscono il raddrizzamento del rachide sono quelli paravertebrali e lòa loro contrazione comporta
lo sviluppo di due componenti:una sul piano sagittale che comporta una compressione della colonna vertebrale.Il muscolo traverso spinale è teso dal sacro sino alla seconda vertebra cervicale,il suo allungamento in un punto qualsiasi provoca l’accorciamento dell’insieme di questo muscolo essendo “postero flessore” a tutti i livelli della colonna vertebrale,la contrazione di questo muscolo realizza una minima riduzione della cifosi dorsale e contemporaneamente un aumento della lordosi lombare.Nella fattispecie per calcolare la valutazione dello sforzo nel sollevamento di un peso viene eseguito lo studio della pressione endoaddominale e di quella intradiscale secondo i modelli matematici e tridimensionali che possono dare una analisi biomeccanica basata sul principio delle leve in equilibrio.Sui vari segmenti corporei le forze esterne agiscono come potenza mentre i muscoli e tessuti molli rappresentano le resitenze.Le articolazioni costituiscono i fulcri.Sulla bae di questi modelli che vanno dal semplice valore statico monodimensionale ove si studia l’atteggiamento trascurando l’accelerazione alle forme più complesse quale il modello prposto da Schultz..Recenti studi hanno stabilito che vi è una correlazione più o meno linerare tra la pressione endoaddominale e quella intradiscale in vivo.Infatti se idealmente si seziona con un piano un dato segmento corporeo le azioni interne che si scambiano tra le due parti attraverso una superficie di sezione sono riconducibili a termini di forza e di momento e possono venir quindi calcolati matematicamente.Il risultato di questa serie di forze prodotte dall’azione congiunta di elementi soggetti sia a trazione (muscoli e legamenti) sia a compressione (disco intervertebrale) è una coppia che equivale al momento richiesto.Si evince quindi che il disco intervetebrale sopporterà una forza che dovrà risultare oltre che dalla compoente di reazione diretta alla perpendicolare del disco anche dalla compressione per produrre il movimento richiesto.Si è visto come i cariche dinamici raggiungono picchi superiori ai valori calcolati statisticamente nella stessa posizione.I due valori tendono invece a coincidere in occasione della fase finale in cui il movimento rallenta. Pertanto da queste considerazioni si rileva come il sinergismo fra la forza di compressione e quella di scorrimento tangenziale. Alla luce di questi studi chiaramente è emerso che la componente più debole dell’intero sistema è la vertebra stessa.Altrettanto importanti sono gli studi delle cosiddette posture fisse e prolungate;in questo caso gli elementi di durata predominano rispetto agli elementi di entità.Anche in questi studi vengono impiegati metodi biomeccanisci ma in questo caso la differenza è rappresentata dalla presenza di variabili nei modelli analitici.nelle posture fisse non è naturalmente importante la valutazione dei modelli dinamici ma è necessario quantificare le forze esterne non in termini di peso bensì di reazioni di appoggio.Alcuni autori hanno quantificato i carichi lombari in sei differenti posizioni con e senza un supoporto lombare.E’ stato brillantemente dimostrato che esiste un valore soglia di 80Kg per quanto riguarda la pressione intradiscale lombare.Questo valore rappresenta l’elemento discrimianate tra condizioni di sovraccarico e sottocarico.Quando il tronco è eretto con i muscoli adodminali e paravertebrali rilasciati il tratto lombo sacrale ed il tronco sostengonosolo il peso del corpo.Alcuni autori hanno dimostato che nella flessione in avanti del tronco soi possono avere delle importanti deformazioni del rachide lombare.In base ai loro calcoli la forza in forza in compressione sulla quinta vertebra lombare di un uomo di 800N con il tronco flesso a 60° rispetto alla verticale con le braccia libere è 2000N.Se tiene un peso di 220 N nelle mani la forza di compressione aumenta a circa 378N.Si è quindi misurato direttamente la pressione sul disco.Nella figura l’articolazione lombo sacrale vien considerata come un fulcro fisso P rappresenta la forza dei muscoli paravertebrali necessaria a controbolanciare W il peso della testa braccia e tronco che agisce nel loro baricentro combinato;d aumenta con la flesione del tronco e con esso anche il momento della forza di gravità pur non variando W i ampiezza.Quindi P
deve essere molto grande con una pericolasa azione compressiva sui dischi intervertebrali lombari ed aumenta la foza di taglio tra la quinta vertebra lombare ed il sacro.
Facciamo ora alcune considerazioni quando un soggetto di 890N con un peso aldisopra della articolazione di 445N assume alcune posture calcoliamo quale è la forza di reazione.L’articolazione del sacro in un soggetto con posizione eretta con la linea di gravità che passa per il margine posteriore della articlazione lombosacrale.L’angolo sacrale normale è di circa 41°.In questa posizione non è necesaria alcuna forza da parte dei muscoli paravertebrali per bilanciare il peso.Allora 445 N di peso somno la forza articolare diretta verso il basso.Questo peso si scompone in due poarti:una perpendicolare alla superficie del sacro ed una diretta parallelamente ad essa. C agisce come forza di compressione sul disco interventebrale mentre S agisce come forza di taglio tendente a causare lo scivolamento in avanti della quinta vertebra lombare sul piatto sacrale.Nota come S e C siano tra loro perpendicolari e come siano i lati di un triangolo retto di cui W è l’ipotenusa.Usando la scomposizione delle forze,noi possiamo detrminare i valori di C e S:
C=Wcosθ ed S=W cosθ.Essendo W pari a 445N e θ a 41°,si ha C=445Nxcos41°=445Nx0,75471=336N
S=445Nxsen41°=445Nx0,65606=292N
Quindi un soggetto di 890N in posizione eretaa con un angolo sacrae normale ha una forza articolare in compressione di 336N ed una di taglio di 292N.nel caso in cui questo soggetto avesse avuto un angolo sacrale di 60° e quindi iperlordosi le componenti θ pari a 60° :
C=445N x cosθ=445N x 0,5=222,5 N S=445 N x sen θ =445Nx 0,866=385
Se il rachide lombare fosse piatto(30°) si avrebbe una forza in compressione di 385 N ed una di taglio di 222,5 N.La forza di taglio aumenta con il seno dell’angolo sacrale per cui questo amenta maggiore deve essere la resistenza indotta dai processi articolari e dai tessuti molli a questa forza di taglio mentre molto meno dal sacro.secondo fergusson un angolo maggiore di 52° detrminerebbe delle successive sollecitazioni sull’articlazione lombosacrale.
Vediamo ora cosa succede quando un soggetto si flette in avanti:
quando il tronco si flette si sposta in avanti i muscoli paravertebrali si contraggono per bilanciare la forza di gravità.come notato in precedenza quanto maggiore è la flessione in avanti tanto maggiore diventa la forza muscolare.in flessione completa tuttavia non è presente alcuna azione da parte dei muscoli paravertebrali e le strutture legamentose sostengono l’intero carico.Vediamo ora quanta forza devono esercitare i mm. Paraverebrali per bilanciare il tronco inclinato di 45°? Qiual e è la forza di reazione articolare?
Ponendo che il braccio di forza perpendicolare all’azione combinata dei muscoli paravertebrali sia di 5cm e che quewllo di resistenza perpendicolare al peso sia 21,25 disegnamo un diagramma di corpo libero come illustrato in figura.L’asse X è posto lungo il rachide ed il centro di movimrentoi nell’articlazione lombo sacrale.L’azione muscolare forma un angolo di 8° con l’asse X.Usando la seconda condizione di equilibrio ( ∑M=0) si può trovare la forza muscolare.La forza di reazione articolare ( R) agisce sulla articolazione in rotazione e quindi non produce movimenti di forza.il momento creato dal peso W=445N è oin senso antiorario ed ha il segno popstivo. ( -W
• dw) + (M x dm)=0 (445 N x 21,25 cm)+ ( Mx 5 cm)=0 (9456 N)+ (5cm x M)=0 5cm x M= -9456 N M= -1891 N.
Dal momento che il segno è negativo,la forza muscolare agisce in senso orario.la forza che i muscoli paravertebali devono esercitare per mantenere una inclinazione del tronco di 45° in un uomo di 890N è 1891 N.la prima condizione di equilibrio (Σ F=0)ci darà la forza di reazione articolare.Per la sua componente di taglio ΣFv=0 -la componente rotatoria in Y(My) del peso (W) si trova l’equazione Wy=W cosθ e la componente in X(Wx) si ga con l’equazione Wx=W sen θ.Dal momento che W=445 N e θ=45° avremo che Wy=445 N x cos 45°=445 N x 0,707=314,6 N. e Wx445 N sen 45°=445 Nx 0,707=314,6N .Le componenti della forza muscolare sono My=Msen 8°=1891 N x 0,13917=263 N. Mx=M cos 8°=1891 N x 0,99027=1872 N. e Wy+My+Ry=0 Il valore di Wy ha un segno negativo in quanto agisce verso il basso rispetto all’asse X.(-314,6 N)+(263N)+Ry=0 Ry=51,6N. La forza di taglio sul sacro dovrebbe essere di circa 51,6N.Per la compoennte in compressione ΣFx=0
;Wx+Mx+Rx=0. Dal momento che Wx ed Mx agiscono verso destra rispetto all’asse Y (314,6N)+(1872 N)+(Rx)=0 2186,6N+Rx=0 Rx=-2186,6N. Quindi la reazione articolare alla forza in compressione è di 2186,6 N diretta verso la testa.l’ampiezza della componente di reazione R si trova con Teorema di Pitagora:Rradice quadrata di
√R²x+R²y=√(2186,6)²+(51,6)²=√4.781.219,6+2662,56=√4.783.882,1=2187,2N
La sua direzione si trova usando una delle funzioni trigoniometriche senФ=Ry/Rx=51,6 N/2186,6N=0,0234 Ф=1,4° la risultante agisce con un angolo di 1,4° rispetto allìasse X verso l’alto e a sinsitra.
Consideriamo ora un soggetto od un inferimere con peso di 890 N con il tronco inclinato in avanti din 45° che sollevi un peso di 250N.Il carico avrà un braccio di resistenza di 36cm.Il primo passo è queelo di disegnare un diagramma di corpo libero ponendo l’asse X lungo il tronco ed il centro dei momenti nell’ articolazione lombo sacrale.La posizione è la stessa del precedente problema.quindi oi dobbiamo solo aggiungere gli effetti del carico(L).per trovare la forza muscolare usiamo la seconda condizione di equlibrio (∑M=0).La forza esercitata dal carico ed il peso agiscono entrambe in senso antoorario e sono positive.
(L x d1)+(W x dw)+(M x dm)=0 (250 N x 36 cm)+(445 Nx21,25 cm)+( M x 5cm)=0 (9000Ncm)+(9456,25Ncm)+(Mx 5 cm)=0 Mx5cm=-18.456,25Ncm M= -3691,25N la forza muscolare sollevando il peso è enormemente aumentata.Glieffetti in compressione e taglio sull’articolazione lombosacrale si trovano con la prima condizione di equilibrio (∑F=0).Per qualle di taglio ∑Fy=0 Per le compoenenti in Y,L,e W che agiscono verso il basso possiamo scirvere Ly=L cos 45°= -250Nx0,707=-176,75N. Wy=Wcos45°=-445Nx0,707=-314,6N My=Msen 8°=3691,25 Nx0,13917=513,7N quindi Ly+Wy+My+Ry=0 (-176,75 N)+ (-314,6N)+(513,7N9+Ry=0 22,35N+Ry=0 Ry=-22,35N.per le forze in compressione ∑Fx=0.le compoenti in X agiscono tutte verso destra e sono:Lx=L sen 45°=-250N x 0,707=176,75 N.Wx=Wsen 45 °=-445 nN x 0,707=-314,6N Mx=Mcos 8°=3691,25 N x0,99027=3655,3N .
Lx+Wx+Mx+Rx=0 (176,75N)+(314,6N)+3655,3 N+Rx=0 4146,65N +Rx=0 Rx=-4146,65N
Quesi dati confrontati con quelli precedenti senza carico trovano riscontro nel calcolo dell’ampiezza della forza di reazione totale usando la formula di Pitagora
R=√R²x + R²y=√(4146,65)² +(22,35)²=√17.194.706)+(499,5)=√17.195.206=4146,7N La sua direzione si trova usando una funzione trigoniometrica tan θ Ry/Rx =22,35 N/4146,7N =0,005 θ=0,3°la forza dir eazione di 31464N agisce quasi direttamente a sinsitra lungo l’asse di X.
Altri metodi di calcolo possono essere usati come quelli raccomandati dalla equazione di NIOSH
PR=PIL x FD PR=Peso raccomandato PIL= Peso ideale limite FD=Fattori di demoltiplicazione
I fattori di demoltiplicazione w FD sono rappresentati da Fh=fattore altezza /Fdv=frattore di dislocazione, Fdo=fattore orizzontale Ff=fattore di frequenza.
Fa=fattore di assimetria Fp=fattore di presa
PR=PILx (Fh x Fdv x Fdo x Ff x Fa x Fp) il metodo NIOSH considera il peso limite ideale unico(PIL=Kg 23) senza distinzione di sesso mentre nella legislazione italiana tale limite è differenziato secondo età ed esso a cui si riporta. Max (Kg 30).
Fattore di altezza=1= (0,003 x (Fh-75) fattore di altezza da terra.
Fattore di dislocazione= Fdv=0,82 +4,5/d
Fattore dislocazione orizzontale:25/d diove d è la distanza fra il corpo ed il centro del carico.
Fattore di asimmetria=Fa=1-(0,0032 φ)
Fattore di presa: è rappresentato dalla qualità della presa di un carico e quindi può tradursi nei giudizi di buono/discreto/scarso.