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Capitolo TERZO

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Academic year: 2021

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Capitolo terzo

3.1 Struttura anatomica della colonna cervicale

La colonna vertebrale umana è costituita da sette vertebre cervicali, dodici vertebre toraciche, cinque vertebre lombari e quattro o cinque vertebre sacrali (Fig. 3.1).

Figura 3.1: La colonna vertebrale (a sinistra) e quella cervicale (a destra)

Tre delle sette vertebre cervicali non sono costruite secondo lo schema della maggioranza delle vertebre: corpo vertebrale, arco vertebrale con le apofisi spinosa, trasverse e articolari. La prima vertebra o atlante è conformata come un anello. Racchiude il midollo spinale che passa dalla testa alla colonna vertebrale e non possiede un corpo vertebrale come tutte le altre vertebre. La sua forma particolare permette l’inclinazione antero-posteriore e laterale della testa. La seconda vertebra, l’epistrofeo o axis, ha adottato filogeneticamente il corpo vertebrale dell’atlante, trasformandolo in una protuberanza, il dens epistrofei. Intorno a questo dente ruota l’atlante assieme al cranio. L’atlante e l’epistrofeo nella loro interazione eseguono

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Capitolo TERZO – Modello computerizzato della colonna cervicale

direzioni. La settima vertebra cervicale è atipica in quanto la proporzione del processo spinoso è aumentata rispetto a tutti gli altri. Una particolarità delle vertebre cervicali sono i fori vertebrali, situati alla base dei due processi trasversi, che contengono l’arteria vertebrale. I fori intervertebrali invece, formati dall’apposizione di due vertebre contigue, contengono le radici nervose dei nervi cervicali; le ultime 4 radici, dalla 5a all’8a, si riuniscono poi per formare il plesso nervoso brachiale.

La colonna cervicale è avvolta da legamenti forti, che tengono assieme i singoli segmenti vertebrali, ed è circondata da un apparato muscolare che sostiene e muove in coordinazione ed armonia la colonna e la testa, e fa da leva a certi movimenti delle spalle e braccia. I principali muscoli sono i muscoli trapezii che reggono il collo e la testa sulla parte posteriore e gli sternocleidomastoidei che controllano la rotazione.

Figura 3.2: La colonna cervicale: vista frontale (a sinistra) e laterale (a destra)

Il collo contiene vertebre, legamenti, muscoli, nervi e ghiandole (tiroide), tutti in uno spazio molto ristretto e in una funzione e interattività meravigliosa. - Visto di fronte e dalla schiena la colonna cervicale è rettilinea, mentre vista di lato forma una curva fisiologica (normale) (Fig. 3.2). Questa curva lordotica, con la convessità rivolta in avanti, permette un assorbimento dei colpi che vengono prodotti dai passi o da salti a protezione della testa.

La regione cervico-occipitale è caratterizzata dal forte ligamento nuchae, dai piccoli muscoli cervico-occipitali, dall’inserzione del muscolo trapezio e dai nervi occipitali, che passano

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dell’arto superiore sia innervato da fibre provenienti da diverse radici, qui di seguito elenchiamo alcuni dettagli sulle principali destinazioni delle fibre di ogni radice nervosa cervico-brachiale.

Il segmento neurologico C5: attraverso il foro intervertebrale formato dalla 4a e 5a vertebra

cervicale, passa la 5a radice cervicale. Partecipa all’innervazione motrice del muscolo

deltoideo e del bicipite e conduce la sensibilità cutanea del tatto, temperatura e della posizione dalla parte esterna del braccio al midollo spinale e al cervello.

Il segmento neurologico C6: attraverso il foro intervertebrale formato dalla 5a e 6a vertebra

cervicale, passa la 6a radice cervicale. Innerva il muscolo bicipite (doppia innervazione C5 e

C6), il muscolo estensore radiale e conduce la sensibilità dell’avambraccio (pollice e indice) ai tratti neurologici spino-cerebrali.

Il segmento neurologico C7: attraverso il foro intervertebrale, formato dalla 6a e 7a vertebra cervicale, passa la 7a radice cervicale. Innerva il muscolo tricipite, i flessori della mano e gli estensori delle dita. Conduce la sensibilità cutanea dal dito medio tramite il midollo spinale ai centri nervosi del cervello.

Il segmento neurologico C8: attraverso il foro intervertebrale formato dalla 7a vertebra

cervicale e 1a vertebra dorsale passa l’8a radice cervicale. Innerva i muscoli interossei che

allargano e approssimano le dita della mano ed i flessori delle dita. Conduce la sensibilità dall’avambraccio e dalla mano esterna (anulare e mignolo) al sistema nervoso centrale, al cervello.

3.2 Modello

computerizzato

della colonna cervicale

3.2.1 Realizzazione dei segmenti corporei standard

Il procedimento seguito per la creazione del modello della colonna cervicale, inizia con la realizzazione di un set completo di segmenti del corpo, che lifeMOD genera di default. Le dimensioni dei segmenti sono create dal software in relazione ai dati riportati nel database antropometrico (Fig. 3.3).

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Figura 3.3: Pannello per la creazione dei dati antropomentrici in LifeMOD

I dati del soggetto, sulla base dei quali si vuole realizzare il modello muscolo-scheletrico (nome, sesso, età, peso), possono essere inseriti manualmente o importando un file in formato SLF, come mostrato qui di seguito:

$---UNITS [UNITS] LENGTH ='millimeter' FORCE ='newton' ANGLE ='radians' MASS ='kg' TIME ='second' $---ANTHROPOMETRIC_DATA [ANTHROPOMETRIC_DATA] SUBJECT_NAME = 'SANTO' GENDER = 1.0 TOTAL_BODY_MASS = 73.00 TOTAL_BODY_HEIGHT = 1680 AGE = 720 HANDS = 1 NOHAT = 1

In questo particolare file, oltre che tutti i dati antropometrici riguardanti il soggetto, è necessario specificare le unità di misura con cui si vuole lavorare.

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Figura 3.4: Modello scheletrico completo standard

Il passo successivo è l’eventuale eliminazione di segmenti corporei che non servono alla creazione di un modello. Nel caso della modellazione della colonna cervicale posso essere eliminati i segmenti della parte inferiore del corpo.

Utilizzando dunque il pannello illustrato in figura 3.5, vengono eliminati dal modello i seguenti segmenti:

o arto inferiore sinistro; o arto inferiore destro; o piede sinistro; o piede destro.

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Figura 3.5: Pannello per l’eliminazione dei segmenti del corpo

Si ottiene il modello ridotto mostrato in figura 3.6:

Figura 3.6: Modello scheletrico ridotto

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3.2.2 Le articolazione corporee

Le articolazioni sono strutture che congiungono le estremità di due segmenti scheletrici, permettendone il reciproco movimento. In LifeMOD, le articolazioni sono elementi fondamentali per la realizzazione del modello e possono essere utilizzate come:

o elementi passivi;

o elementi trainabili, per le simulazioni di dinamica inversa; o elementi attivi, per le simulazioni di dinamica diretta.

Nel caso della realizzazione del modello della colonna cervicale, è necessaria la creazione di articolazioni per le simulazioni in dinamica inversa. Pertanto, mediante il pannello sotto la voce ‘Joints’, mostrato in figura 3.7, si richiede al software la realizzazione di articolazioni con elementi passivi trainabili, in cui vengono richiesti valori specifici di “stiffness” e “damping”.

Figura 3.7: Pannello per la realizzazione di articolazioni del modello con elementi passivi trainabili

Il software aggiunge poi al modello semplici giunti rotazionali per le braccia e per le regioni toracica e spinale lombare, come mostrato in figura 3.8.

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Figura 3.8: Articolazioni rotazionali per le braccia e per le regioni toracica e spinale lombare

3.2.3 Elementi muscolari

In LifeMOD la produzione di forza avviene attraverso i legamenti ed i tendini. Entrambi gli elementi trasmettono forze di tensione: i legamenti sono molle/ammortizzatori passivi mentre i tendini sono composti da elementi trainanti, per le simulazioni di dinamica inversa, e da elementi contrattili attivi, per le simulazioni di dinamica diretta.

Quindi è possibile suddividere i muscoli in due principali gruppi comportamentali: • elementi trainabili;

• elementi trainanti;

Gli elementi trainanti, agenti in dinamica inversa, registrano le contrazioni del muscolo durante un’attività, mentre il modello è mosso mediante “drivers” esterni.

Gli elementi trainati, agenti invece in dinamica diretta, utilizzano i dati di contrazione in memoria dal software cercando, mediante essi, di indurre delle forze sullo scheletro per replicare il movimento registrato in dinamica inversa. In questo particolare passo di processo, i muscoli si comportano da attuatori.

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Per la realizzazione dettagliata dei muscoli del modello della colonna cervicale si utilizza il pannello “Soft Tissues”, riportato in figura 3.9, in cui si chiede al software di creare il set dei muscoli standard del suo modello di partenza.

Figura 3.9: Pannello per la realizzazione di muscoli trainabili per le simulazione di dinamica inversa

Per lo studio della colonna cervicale è importante creare solo i muscoli di interesse e quindi nel pannello di LifeMOD verrà contrassegnata soltanto la voce “Head/Trunk”.

I parametri muscolari, quali “physiological Cross Sectional Area (pCSA)” e “Maximum Tissue Stress” (Fig. 3.10), sono utilizzati per calcolare la forza massima di un particolare muscolo. LifeMOD contiene un database di valori di pCSA per ogni muscolo, che vengono scalati in conformità ai parametri del corpo (altezza, peso, sesso, età). Inoltre, la forza prodotta può essere scalata dallo 0% al 200% al fine di cambiare i contributi di particolari muscoli.

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Figura 3. 10: Pannello per la definizione dei parametri muscolari

Al termine di queste operazioni il software registra i dati assegnatigli dall’utente e crea un set di muscoli standard per il collo, come mostrato in dettaglio nelle immagini riportate nelle figure 3.11-3.12:

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Figura 3. 12: Muscoli del collo (vista posteriore)

3.2.4 Creazione di singoli segmenti: le sette vertebre della colonna cervicale

Al fine di ottenere un modello più realistico possibile della colonna cervicale vengono creati dei segmenti aventi caratteristiche differenti da quelle presenti nel modello standard creato da LifeMOD. Infatti, le vertebre cervicali (C3-C7) considerate come un unico elemento nel modello standard, sono sostituite con un modello cervicale composto da segmenti separati, ognuno dei quali rappresenta una vertebra (Fig. 3.13).

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Come mostrato nel pannello in figura 3.14, ad ogni segmento viene assegnato un nome, una posizione nello spazio e un orientamento:

Figura 3. 14: Pannello per la realizzazione dei singoli segmenti cervicali (C3-C7)

Le figure 3.15 e 3.16 mostrano in dettaglio il nuovo tratto cervicale:

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Figura 3. 16: I singoli segmenti cervicali (in dettaglio)

3.2.5 Collegamenti tra muscoli e vertebre

I muscoli ed i loro collegamenti con i segmenti ossei sono generati da LifeMOD basandosi sui riferimenti standard che ha in memoria. Come si osserva dall’immagine riportata in figura 3.17, ogni muscolo è visualizzato con una linea di connessione tra due punti (sfere rosse), che collegano due segmenti ossei. Se necessario ogni punto di collegamento può essere variato dall’operatore.

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Figura 3. 17: Riadattamento dei punti di inserzione muscolare

Per sviluppare un modello accurato della colonna cervicale è necessario riadattare la maggior parte dei collegamenti tra il muscolo e gli elementi vertebrali, sulla base dei nuovi segmenti ossei non-standard.

Per riposizionare i punti di attaccamento dei muscoli l’utente si serve del pannello sotto la voce “Soft_Tissues” (Fig. 3.18):

Figura 3. 18: Pannello per la realizzazione dei punti di inserzione muscolare con i singoli segmenti cervicali

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• scaleno posteriore destro; • scaleno posteriore sinistro; • scaleno medio destro; • scaleno medio sinistro; • scaleno anteriore destro; • scaleno anteriore sinistro; • splenio cervicale destro; • splenio cervicale sinistro.

3.2.6 Realizzazione di nuove articolazioni

Per un corretto funzionamento della colonna cervicale, è necessario realizzare nuove articolazioni. Questo processo viene preceduto dalla definizione di markers, ai quali vengono assegnate particolari posizioni ed orientamenti nello spazio, che svolgono la funzione di riferimento per l’assegnazione di una successiva locazione delle articolazioni tra le vertebre (figura 3.19):

Figura 3. 19: Realizzazione di marker per la localizzazione di nuovi giunti cinematici tra le vertebre

Vengono dunque create le nuove articolazioni del modello, mediante l’uso del pannello riportato in figura 3.20:

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Figura 3. 20:Pannello per la realizzazione di nuovi giunti tra le vertebre della spina cervicale

In questo pannello viene specificata l’azione dei giunti lungo i tre assi nello spazio X,Y,Z, primo requisito fondamentale per l’esecuzione di movimenti (Fig. 3.21):

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3.2.7 Agenti di moto

Nello studio del modello in dinamica inversa vengono utilizzati degli agenti di moto per muovere il modello, al fine di registrare le escursioni angolari delle articolazioni e gli allungamenti e gli accorciamenti dei muscoli, in modo da usarli nella successiva fase di analisi in dinamica diretta. Questi agenti sono dei componenti privi di massa, fissati ai segmenti del corpo mediante elementi elastici (Fig. 3.21), che vengono visualizzati nel modello come piccole sfere: la sfera gialla rappresenta la posizione dell’elemento, guidato dai dati di traiettoria importati nel software; la sfera rossa è un punto rigidamente attaccato al segmento osseo. Le due sfere sono legate tra loro mediante le forze di una molla.

Figura 3. 21: configurazione dell’agente di moto

Nel modello specifico della colonna cervicale, prima della realizzazione e dell’aggiunta dell’agente di moto, è obbligatoria le creazione di “spline”, in cui vanno inseriti i dati necessari per la riproduzione del movimento del sistema testa-collo desiderato ed in particolare:

• i valori ‘x’, che indicano l’asse dei tempi;

• i valori ‘y’, che riportano i valori del movimento lungo un determinato asse nello spazio.

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In uno stesso modello, possono essere create tante spline quanti sono gli assi di movimento che si desidera ottenere. Ad esempio, le immagini in figura 3.22 e in figura 3.23 riportano la creazione di due spline per uno stesso modello:

• spline 1: il vettore ‘x’ riporta i valori temporali della simulazione mentre il vettore ‘y’ contiene i valori delle singole posizioni assunte dal marker lungo l’asse sagittale, durante l’acquisizione del movimento.

• spline 2: il vettore ‘x’ riporta i valori temporali della simulazione mentre il vettore ‘y’ contiene i valori delle singole posizioni assunte dal marker lungo l’asse coronale, durante l’acquisizione del movimento.

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Figura 3. 23: valori temporali e valori di movimento sul piano coronale (Spline2)

Definite le spline, l’ultimo passo per la realizzazione del modello, è l’aggiunta degli agenti di moto. Utilizzando il pannello sotto la voce ‘Motion’ (Fig. 3.24), è possibile posizionare l’agente di moto sulla testa, specificandone con esattezza la posizione.

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In questo pannello, ogni asse può essere impostato come fissato, libero o guidato mediante valori di spline pre-esistenti. L’agente di moto viene visualizzato nel modello come mostrato in figura 3.25.

Figura

Figura 3.1:  La colonna vertebrale (a sinistra) e quella cervicale (a destra)
Figura 3.2:  La colonna cervicale: vista frontale (a sinistra) e laterale (a destra)
Figura 3.3:  Pannello per la creazione dei dati antropomentrici in LifeMOD
Figura 3.4:  Modello scheletrico completo standard
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Riferimenti

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