Le articolazioni umane sono strutture molto importanti per l‟esecuzione delle attività della vita quotidiana. Il loro normale funzionamento permette all‟uomo di muoversi con agilità e velocità, sopportare carichi, anche molto elevati, senza alcun fastidio o dolore e resistere brillantemente ad ampie sollecitazioni e torsioni esterne. In seguito a traumi o patologie può divenire necessaria la loro ricostruzione o sostituzione protesica, e perché queste assicurino il massimo recupero della funzionalità, indispensabile alle attività della vita quotidiana, devono essere frutto di una profonda conoscenza del comportamento meccanico articolare naturale.
Il progetto medico e tecnico dei trattamenti ortopedici ed il disegno dei relativi dispositivi di sostituzione richiedono una conoscenza approfondita della funzione di ognuna delle strutture articolari e delle forze in esse scambiate; a riguardo vengono impiegate analisi modellistiche cinematiche e dinamiche.
Le articolazioni umane forniscono due funzioni fondamentali apparentemente contrastanti: esse devono essere mobili per raggiungere un‟ampia e regolare escursione, ma devono anche essere stabili per garantire un saldo supporto durante le attività motorie. Il contrasto diviene evidente nella progettazione delle articolazioni artificiali in protesi esterne, dove
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non vi sono più muscoli e legamenti a definire e stabilizzare il movimento, ed il recupero di una buona stabilità avviene spesso a discapito di una limitata escursione articolare.
In un amputato transfemorale, le articolazioni perdute sono due: ginocchio e caviglia. Poiché qui si considera il piede artificiale non articolato (cfr. sopra, paragrafo 2.3), dove la funzione di caviglia durante la fase d‟appoggio è vicariata dal comportamento della chiglia, si descrivono anatomia e fisiologia del solo ginocchio; è dal loro studio, in particolare in relazione alla deambulazione, che scaturiscono i progetti del dispositivo protesico di giunto e che si possono introdurre con cognizione di causa semplificazioni anche notevoli.
Il ginocchio articola il femore, l‟osso della coscia, con tibia e perone (fibula) nella gamba.
Si tratta di un‟articolazione sinoviale (diartrosi) che permette un‟ampia mobilità: tra le superfici ossee articolate (condili femorali e testa di tibia e perone), circondate da cartilagine, è situata la cavità articolare che contiene la sinovia, liquido prodotto dalla membrana sinoviale con funzione di lubrificante, e i menischi, strutture fibro-cartilaginee che garantiscono il ripristino della congruenza tra le superfici articolari e l‟ammortizzamento delle sollecitazioni biomeccaniche.
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Da un punto di vista strettamente anatomico, l‟articolazione si divide in due componenti: femoro-tibiale e femoro-patellare.
I massimi movimenti relativi permessi tra gamba e coscia sono: 140° in flessione e 10° in estensione, 45° in rotazione esterna e 30° in rotazione interna (valori che si rilevano solo con il ginocchio flesso).
Figura 3.2: sezione parasagittale del ginocchio, vista laterale-mediale
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A causa del valgismo fisiologico del ginocchio durante la flessione, esiste un lieve movimento che la gamba può compiere intorno all‟asse antero-posteriore (adduzione di 10°-15°).
Per effetto dei legamenti e dei muscoli che insistono su questa parte anatomica e per la sua speciale conformazione, la flessione del ginocchio si verifica grazie a un movimento di rotolamento e scivolamento dei condili femorali sui piatti tibiali: il centro di istantanea rotazione descrive un arco di spirale e non è fisso, come invece accade in un giunto a cerniera.
La definizione di un modello cinematico risulta di fondamentale importanza per i successivi modelli dinamici: una conoscenza geometrica e cinematica approfondita, tipicamente ancora in condizioni di assenza di carico (movimento passivo), è perciò di primaria importanza prima di intraprendere studi di dinamica articolare (e così per l‟intero arto, sia esso naturale o artificiale).
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L‟analisi di come le strutture passive siano in grado di dettare il movimento articolare è stata affrontata solo con considerazioni geometriche e cinematiche, inizialmente utilizzando l‟approccio a “meccanismi equivalenti spaziali” (Hunt, 1978), cioè quei sistemi di membri rigidi vincolati che producono un comportamento cinematico equivalente al sistema articolare analizzato.
Osservando l‟anatomia del ginocchio si nota fin da subito che un suo modello meccanico non è semplice e che non è sufficiente assimilare il meccanismo ad un giunto rotoidale ad un solo grado di libertà; per descrivere il movimento relativo è preferibile utilizzare il concetto cinematico dei profili coniugati (ovvero di due curve nel piano che sono in contatto in un punto ed in quel punto hanno la tangente in comune). Tali profili sono tenuti in contatto mediante i legamenti crociati. Proprio questi legamenti determinano la cinematica e il tipo di rotazione della tibia rispetto al femore. Dunque, le superfici di contatto (i profili coniugati) sopportano il carico ed i legamenti determinano e limitano il moto.
Considerando il solo movimento di flesso-estensione del ginocchio, si è approdati al meccanismo equivalente planare illustrato nella figura seguente (fig. 3.6).
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Durante la flessione, il segmento osseo CB si muove rispetto al segmento osseo AD, per effetto della rotazione isometrica dei legamenti crociati AB e CD. È facile legare matematicamente gli angoli formati dai segmenti ossei con quelli dei segmenti legamentosi. La locazione istantanea dell‟incrocio di questi ultimi è la posizione del centro di rotazione.
La definizione del modello cinematico è risultata di fondamentale importanza per tutti i successivi modelli dinamici: sono stati così chiariti i meccanismi di leveraggio muscolare ed il relativo vantaggio meccanico nella produzione dei momenti articolari, i meccanismi di protezione delle strutture anatomiche anche quando queste siano soggette ad elevate sollecitazioni e il reclutamento successivo di fibre per rispondere al meglio alle forze esterne. Naturalmente il modello 2-D non può essere d‟aiuto per la stima delle componenti di moto e di forza fuori dal piano sagittale; come accenno, partendo di nuovo da osservazioni sperimentali su preparati anatomici, si sono formate le basi per un meccanismo spaziale equivalente caratterizzato da contatti del tipo piano su sfera.
Certo nel realizzare il giunto di ginocchio per una protesi di gamba non si può voler mimare esattamente l‟articolazione naturale, poiché questo si inserisce in un arto
Figura 3.6: definizioni ed osservazioni del meccanismo elementare planare del ginocchio. a) Immagine laterale presa da una sezione del ginocchio sinistro con i condili rimossi, che espongono i due legamenti crociati; a questo è stata sovrapposta la rappresentazione del meccanismo a 4-barre ABCD, che rappresenta il crociato anteriore (AB) e quello posteriore (CD), il femore (CB) e la tibia (AD) come vincoli rigidi. Viene mostrata anche la posizione del centro istantaneo della rotazione (I). b) Modello fisico bidimensionale del ginocchio protesizzato con menisco mobile.
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interamente artificiale, di cui va valutata la funzionalità complessiva. Esso però esercita la maggior influenza sulle prestazioni della protesi nel ciclo del passo, e si capisce dalle considerazioni modellistiche precedenti che l‟adottare una configurazione policentrica per il giunto, si parla appunto di dispositivo a 4 (o 6) barre, possa avvicinarsi molto di più alla cinematica naturale di una configurazione a cerniera, ed arrivare a conferire al soggetto un passo non solo più armonioso, ma anche più stabile.
In ogni caso una ricercata semplicità strutturale deve fare attenzione soprattutto a non far venire meno la stabilità del soggetto in ogni situazione gli si possa quotidianamente presentare. L‟analisi della stabilità dell‟equilibrio del soggetto necessita, come si vedrà, dell‟approccio che va dal cinematismo alle forze in gioco. Così, se da una parte lo studio del controllo del movimento da parte del sistema neuro-muscolare prevede un‟analisi dinamica diretta, allo scopo di osservare l‟effetto delle forze muscolari sulla cinematica articolare, dall‟altra per individuare le sollecitazioni cui è sottoposto nella locomozione un arto inferiore, naturale o artificiale che sia, si impiega un‟analisi dinamica inversa: data la cinematica di un corpo (la gamba) e le forze scambiate con l‟ambiente (la reazione del terreno), si predicono le forze e i momenti che agiscono su di esso.