Le simulazioni aiutano a diagnosticare le patologie del ginocchio
MSC
“La simulazione dinamica multibody ha già contribuito significativamente a migliorare la nostra comprensione del funzionamento del ginocchio”.
L’umanità ha esplorato galassie, scrutato le profondità degli oceani e indagato milioni di anni del nostro passato. Eppure ancora oggi permangono lacune sorprendentemente vaste nella nostra comprensione del corpo umano e del suo funzionamento. Per esempio, l’articolazione del ginocchio è il centro della catena cinetica che va dal piede al bacino, ma il collegamento fra tibia e femore presenta un vincolo geometrico ridotto. La stabilità del ginocchio è merito dell’azione di una moltitudine di strutture a carico dei soli tessuti molli, e come queste strutture operino realmente è ancora in larga parte un mistero. La soluzione di simulazione “dinamica multibody” può contribuire a comprendere più a fondo il funzionamento interno del ginocchio.
Il caso in esame è il ruolo del menisco. Il menisco contribuisce a stabilizzare il ginocchio creando una coppa in cui si inserisce il femore. Funge inoltre da ammortizzatore, trasmettendo le forze di compressione dal femore a una più ampia area della tibia. Tuttavia esistono ancora numerosi aspetti del menisco che non conosciamo. Fino a non molto tempo fa, i chirurghi erano soliti asportare il menisco lesionato; oggi invece questo intervento viene praticato con minore frequenza, poiché conosciamo l’importanza del ruolo del menisco nel mantenere la stabilità del ginocchio. Come abbiamo visto, però, numerosi aspetti restano ancora ignoti. Per esempio, cosa accade quando i legamenti che collegano il menisco alla tibia risultano lassi, una situazione che si verifica spesso in seguito a lesioni o con l’avanzare dell’età? Esiste una vasta gamma di potenziali benefici derivanti da una migliore comprensione della biomeccanica del ginocchio, come per esempio la possibilità di prevenire le lesioni e migliorare i metodi di trattamento. I ricercatori del Mizzou Motion Analysis Center (MAC) presso l’Università del Missouri hanno evidenziato come, per una migliore comprensione del menisco, i metodi di analisi tradizionali non siano sufficienti. Necessitavano infatti di uno strumento di simulazione dinamica multibody in grado di riprodurre il carico e il movimento muscolare, una soluzione dotata della capacità di elaborazione necessaria per modellare tutti gli elementi correlati del ginocchio.
Soluzione/Validazione
I ricercatori del MAC hanno dunque utilizzato il software di simulazione dinamica multibody Adams per sviluppare una completa e realistica simulazione del ginocchio. Per prima cosa hanno posizionato dei marcatori su alcuni soggetti. Hanno utilizzato un sistema di motion capture per registrare i movimenti di questi marcatori mentre i soggetti camminavano e si spostavano all’interno del laboratorio. Grazie alla risonanza magnetica (MRI, Magnetic Resonance Imaging) hanno quindi acquisito immagini di ossa, cartilagini, menisco e legamenti.
Piattaforme di celle di carico hanno permesso di misurare le forze di contatto al suolo, mentre l’attivazione muscolare è stata determinata tramite elettromiografia. A partire dai dati raccolti sono stati quindi creati modelli Adams del sistema muscolo-scheletrico interno di ciascun soggetto. Ogni modello era composto da 21 segmenti rigidi, 53 cerniere e 43 elementi a rappresentare i muscoli della gamba. In prossimità di ogni marcatore è stato definito un vincolo di movimento, con una molla triassiale posizionata fra il vincolo e il segmento del corpo corrispondente.
Ciò ha permesso il movimento delle “ossa” in relazione ai vincoli di movimento. L’interfaccia piede-suolo è stata modellata suddividendo la geometria esterna ottenuta tramite MRI in cinque corpi rigidi. Sono stati quindi definiti contatti deformabili fra ciascuno di questi corpi e il suolo. L’acquisizione di questi dati sperimentali sul movimento fornisce l’input cinematico per un passo, con i vincoli a definire il movimento del modello. I vincoli erano rappresentati dai giunti cinematici, nonché dalle forze di contatto e dei legamenti al ginocchio e dalle forze di contatto al suolo.
Per determinare le forze muscolari e il carico del ginocchio durante il movimento, è stata condotta una simulazione a dinamica inversa che ha previsto le forze di contatto fra gli elementi del ginocchio, per esempio da tibia a menisco e da tibia a femore, oltre alle forze sui legamenti del ginocchio, come il legamento crociato anteriore (LCA). Durante questa analisi, la capacità di Adams di interagire con Simulink è stata fondamentale per realizzare un’accurata simulazione del ginocchio. La comunicazione bidirezionale fra Adams e Simulink ha permesso ai ricercatori di ottenere una comprensione più approfondita di numerosi fattori essenziali per il processo di simulazione.
Conclusione
La funzionalità biomeccanica del menisco diminuisce a mano a mano che aumenta la lunghezza dei legamenti. Grazie al software Adams, i ricercatori del MAC hanno intrapreso una strada che contribuirà alla comprensione del complesso funzionamento del menisco all’interno del ginocchio.
Hanno riscontrato che aumentando la lunghezza dei legamenti di circa il 20% si ha una perdita pressoché completa del trasferimento di forze attraverso il menisco quando si cammina. La riduzione delle forze assorbite dal menisco aumenta le forze trasmesse direttamente fra tibia e femore, con una conseguente intensificazione di danni e dolori articolari.
Questi risultati permetteranno a ricercatori e medici di affrontare e prevenire più efficientemente i potenziali dolori e danni articolari.
“La simulazione dinamica multibody ha già contribuito significativamente a migliorare la nostra comprensione del funzionamento del ginocchio”, ha dichiarato Trent Guess, professore associato del dipartimento di fisioterapia e chirurgia ortopedica presso l’Università del Missouri. “Fra i numerosi benefici offerti, in futuro avremo l’opportunità di introdurre sostanziali progressi nella diagnosi dei problemi legati al ginocchio e di migliorare gli interventi chirurgici”.
(Case study MSC)