VALUTAZIONE DELLE FORZE E DEI MOMENTI TRASMESSI ALLA CAVIGLIA
3.3 Valutazione dei momenti a livello dell’articolazione della caviglia Lo studio dei momenti articolari, può essere affrontato tramite due modelli di
approccio tradizionali: dinamica diretta e la dinamica inversa. Entrambe le soluzioni possono essere utilizzate per determinare la cinetica delle articolazioni (ad esempio, stima dei momenti articolari, durante i movimenti).
Nella dinamica diretta, si comincia con una misura o una stima del comando neurale che viene inviato ai muscoli. Questo è poi trasformato attraverso un processo in tre fasi per ottenere i momenti articolari.
Fig. 3.13 - Catene di dinamica diretta (da SX a DX) e inversa (da DX a SX) per la stima dei momenti articolari.
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Valutazione della biomeccanica e della cinematica dell’articolazione della caviglia Dalla figura 3.13 si nota che il blocco di attivazione delle dinamiche muscolari trasforma il segnale neurale in una misura di attivazione muscolare, che è un parametro variabile nel tempo tra zero e uno. Le dinamiche di contrazione muscolare invece trasformano le attivazioni muscolari in forze muscolari. Infine, l’inserimento di dati sulla geometria muscolo scheletrica dell’articolazione d’interesse permette la trasformazione dei dati relativi alle forze in momenti articolari. Una volta che i momenti sono determinati, le equazioni di movimento permettono la loro trasformazione in movimenti articolari. Ognuno di questi passaggi comporta complesse relazioni non lineari.
Nella dinamica inversa, il problema è affrontato in modo opposto. Questo metodo inizia misurando la posizione, attraverso dei sensori applicati sulla pelle del soggetto, e le forze esterne che agiscono sul corpo tramite una piattaforma baropodometrica. I sensori applicati sulla pelle del soggetto sono utilizzati per calcolare la posizione relativa e l'orientamento dei segmenti articolari, dai quali poi si calcolano gli angoli tra le varie ossa che compongono l’articolazione. Questi dati sono differenziati per ottenere velocità e accelerazioni usate poi come input per le equazioni del moto per calcolare le corrispondenti forze di reazione e i momenti articolari. Se si include la geometria muscoloscheletrica, dalle forze muscolari possono essere stimati i momenti. Tuttavia, i problemi di ridondanza e co-contrazione che si presentano, rendono questo passaggio difficile. Infine, la conoscenza delle forze muscolari e loro linee di azione, permettono la stima delle forze di compressione (cioè, nella cartilagine) e delle forze di trazione nei tessuti molli (vale a dire, legamenti).
Il metodo più utilizzato per lo studio della cinematica articolare è la dinamica inversa, visto che la soluzione diretta comporta una stima del comando neurale difficile da determinare (Buchanan et al. 2004). Dai vari studi, trovati in letteratura, che trattano la cinetica del complesso articolare della caviglia si è ricavato che i momenti più significativi sono quelli che avvengono nel piano sagittale. Questi momenti sono dovuti ai movimenti di dorsiflessione e plantaflessione che avvengono durante le fase di gait. Durante il passo, oltre che a movimenti flessori si compiono anche movimenti di eversione/inversione che creano momenti nel piano trasversale e di adduzione/abduzione che creano momenti nel piano frontale.
Mentre i momenti nel piano sagittale si presentano costantemente in tutti i soggetti, i momenti nei piani restanti variano da persona a persona.
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Fig. 3.14 - Momenti articolari della caviglia durante la fase di stance, calcolati nei diversi piani anatomici attraverso uno studio di dinamica inversa. I momenti sono espressi in Nm/kg, ovvero sono stati normalizzati rispetto al peso corporeo dei soggetti sottoposti allo studio, per standardizzare i risultati. L’asse x rappresenta la % della fase di stance (0% fase di contatto del tallone; 100% distacco delle dita).
Nel piano sagittale, durante l’inizio della fase di appoggio (FdS “fase di stance”) si nota un momento in dorsiflessione raggiungere il picco di circa 0.1 Nm/kg a circa il 10% della FdS, ovvero subito dopo la fase di contatto del tallone. Successivamente il momento cala fino a raggiungere lo zero nella fase di appoggio della pianta del piede (25% circa del ciclo). Una volta passato lo zero, il momento diventa di plantaflessione e comincia ad aumentare di intensità. Dal 25% al 45% della FdS l’andamento del momento di plantaflessione è quasi rettilineo e scende fino ad un valore di 0.4 Nm/kg, al 50%, ovvero alla fase di pieno appoggio del peso corporeo sull’intero piede, il momento misura 0.5 Nm/kg. Quando si giunge al distacco completo del tallone (60% del passo) il momento di plantaflessione raggiunge i 0.75 Nm/kg. Nel periodo che va dal distacco del tallone al distacco delle dita il momento totale subisce un repentino calo che lo porta a raggiungere un valore di -1,2 Nm/kg, questo accade perche in questa fase l’articolazione della caviglia deve essere mantenuta stabile, soprattutto la rotazione anteriore della tibia durante la fase di atterraggio. Infine il momento sale fino a tornare ad un valore nullo all’inizio della fase di oscillazione.
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Valutazione della biomeccanica e della cinematica dell’articolazione della caviglia Negli altri due piani anatomici, il frontale e il trasversale, i valori dei momenti, rispettivamente di adduzione/abduzione e eversione/inversione, sono molto meno significativi dei momenti dovuti ai movimenti di flessione. Nel piano frontale si nota un piccolo momento di abduzione all’inizio della FdS (10-12%) che si trasforma subito in un momento di adduzione che raggiunge un picco di 0.175 Nm/kg attorno al 70 %, in avvicinamento all’effettivo e completo distacco del tallone. Per quanto riguarda il piano trasversale si inizia con un momento in inversione (picco di 0.1 Nm/kg raggiunto attorno al 25 % della FdS) che si trasforma in un momento in eversione durante il pieno appoggio (50% dell’FdS) che raggiunge il valore massimo di 0.35 Nm/kg attorno all’80% .
Come si è potuto notare tutti i momenti sono stati normalizzati in base al peso in kg del soggetto su cui si è svolto l’esperimento di dinamica inversa, per standardizzazione i risultati ottenuti.
I momenti agenti sulla caviglia provocano quindi i movimenti che determinano il passo.
Uno studio condotto da Hansen et al. nel 2004 per determinare le caratteristiche dell’articolazione della caviglia allo scopo di progettare protesi articolari efficaci, riporta alcuni risultati riguardanti il rapporto tra momenti generati sul piano sagittale e i conseguenti angoli di dorsiflessione e plantaflessione creati.
Lo studio è stato condotto a tre velocità di camminata, 1.2 m/s (andatura lenta), 1.5 m/s (andatura normale) e 1.9 m/s (andatura veloce).
Come mostra la fig. 3.9 gli andamenti dei ―momenti vs angoli” corrispondono a dei cicli con isteresi che vengono compiuti in senso orario durante una camminata ad andatura lenta, e in senso antiorario se la camminata è sostenuta con un’andatura normale o veloce; questa variazione di senso e il fatto che l’area all’interno della curva di isteresi sia maggiore nel caso di camminata lenta o veloce e quasi zero nel caso di camminata ad andatura normale stà ad indicare che, nel caso di andatura lenta l’energia viene dissipata mentre nel caso della deambulazione ad andatura veloce l’energia viene create. Il caso di andatura normale si avvicina alla condizione di equilibrio di energia dissipata e generata, che secondo lo studio è stata individuata nel caso di una camminata eseguita a 1.3 m/s.
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Fig. 3.15 - Grafici dell’andamento momenti vs angoli generati nell’articolazione della caviglia. La distanza fra i punti nei grafici corrisponde ad un 1% della fase di stance del ciclo del passo. Il quadrato bianco rappresenta la fase di contatto del tallone opposta.
Se questi momenti dovessero eccedere si potrebbe giungere a lesioni gravi della caviglia. sia riguardanti i tendini, sia i legamenti che se costretti a movimenti troppo accentuati rischiano la rottura.
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