METODOLOGIA

Sviluppo concettuale di un fissatore articolato per la riabilitazione del ginocchio mediante approccio multibody

GIANLUCA GATTI (Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Energetica e Gestionale, Università della Calabria)

Il fissatore articolato è un dispositivo medico utilizzato come trattamento alternativo alla immobilizzazione, nella riabilitazione post-traumatica del ginocchio in seguito a dislocazione e lacerazione del legamenti. Nella sua configurazione tradizionale, è costituito da due corpi meccanici accoppiati da un giunto rotoidale, e collegati rigidamente alla tibia ed al femore mediante fissazione ossea. Il giunto rotoidale viene allineato all’asse di rotazione flessionale dell’articolazione al fine di proteggere la ricostruzione dei legamenti e consentire una più rapida ed aggressiva fase riabilitativa. In questo articolo viene presentato un possibile approccio multibody in ambiente MSC-ADAMS, alla procedura di impianto di un fissatore innovativo. Esso è caratterizzato da due assi di rotazione, uno funzionale e l’altro ausiliario, che assecondano entrambi i movimenti dominanti di flesso-estensione e di rotazione longitudinale dell’articolazione umana. La procedura è basata sull’utilizzo di simulazioni virtuali che permettono di assistere il personale clinico nella delicata fase di impianto del dispositivo, assicurando un livello di precisione potenzialmente più elevato rispetto alla procedura manuale tradizionale.

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INTRODUZIONE

Gravi traumi che possono verificarsi nel ginocchio possono pregiudicarne il recupero della piena funzionalità in seguito a trattamento chirurgico [1]. Nel caso di dislocazione, con conseguente lacerazione dei legamenti, la limitazione principale ad una precoce riabilitazione risiede nella instabilità dell’articolazione stessa, per cui l’immobilizzazione prolungata è spesso la soluzione adottata. Ciò provoca un rilevante irrigidimento articolare che dilata notevolmente i tempi di recupero nella successiva fase di riabilitazione. Un trattamento alternativo, consiste nell’adozione di un fissatore articolato esterno [2], che concilia la necessaria fase di ricostruzione dei legamenti (causa di instabilità temporanea) con una fase di riabilitazione aggressiva, accorciando i tempi di recupero del paziente. I fissatori articolati esterni tradizionali sono essenzialmente costituiti da due strutture meccaniche rigide accoppiate da un giunto rotoidale.

Le strutture rigide vengono vincolate rispettivamente all’osso tibiale e femorale, mentre il giunto rotoidale viene manualmente allineato all’asse funzionale di flesso-estensione del ginocchio. Un tale dispositivo medico consente pertanto di scaricare i legamenti durante il movimento articolare, ed è tanto più efficace quanto più il moto del meccanismo riproduce fedelmente quello dell’articolazione. Tuttavia, i fissatori tradizionali sono meccanismi piani, mentre la cinematica del ginocchio è tridimensionale [3]. Pertanto tali dispositivi consentono una movimentazione articolare solo in una porzione limitata. Studi recenti [4,5] sulla cinematica dell’articolazione tibio-femorale hanno evidenziato come il movimento del ginocchio possa essere rappresentato dall’accoppiamento tra la classica flesso-estensione funzionale, ed una rotazione ausiliaria longitudinale attorno all’asse tibiale. Tali risultati hanno ispirato la concettualizzazione del fissatore esterno di articolazione [6] descritto in questo lavoro. In particolare, si tratta di un dispositivo a due gradi di libertà potenzialmente in grado di estendere il campo di movimentazione dell’articolazione nella fase di riabilitazione post-operatoria. La procedura di progettazione ed impianto concettuale del fissatore si basa sull’utilizzo di simulazioni multibody in ambiente MSC-ADAMS, al fine di assistere gli operatori clinici e assicurare livelli più elevati di precisione. L’utilizzo dei moderni software di simulazione virtuale è infatti altamente auspicabile al fine di validare la soluzione proposta fin dalla fase preliminare del processo di progettazione, garantendo tempi di implementazione ridotti e diminuendo le possibilità di errore. La metodologia di progettazione concettuale e di impianto vengono descritte attraverso una serie di simulazioni multibody in ambiente MSC-ADAMS, basate su dati sperimentali rilevati in laboratorio su un ginocchio artificiale.

RILEVAZIONE DELLA CINEMATICA ARTICOLARE

Al fine di consentire una adeguata misura tridimensionale del movimento articolare del ginocchio, vengono spesso utilizzati i cosiddetti instrumented spatial linkages (ISL) [7], costituiti da una serie di sette corpi rigidi accoppiati da giunti rotoidali sensorizzati. Essi possono essere vincolati a tibia e femore mediante fissazione ossea, parimenti a quanto necessario per l’impianto dei fissatori esterni. Una fotografia di un ISL impiantato su un ginocchio artificiale da laboratorio è mostrata in Figura 1, mentre in Figura 2 è illustrato il corrispondente modello multibody in ambiente MSC-ADAMS.

Fig. 1 - Fotografia di un ISL impiantato su un arto artificiale.

Fig. 2 - Modello multibody di ISL impiantato su un modello multibody di articolazione, in ambiente MSC-ADAMS.

La cinematica del ginocchio durante il suo movimento passivo, può essere ricostruita a partire dalla geometria del meccanismo e dalla lettura dei sei angoli di giunto rilevati dai trasduttori.

La rappresentazione geometrica dell’ISL in configurazione estesa è riportata in Figura 3, con le principali indicazioni dimensionali. Un sistema di riferimento {XF,YF,ZF} ed uno {XT,YT,ZT} sono applicati ai segmenti terminali dell’ISL connessi rigidamente alla tibia ed al femore, rispettivamente. In seguito ad un moto relativo tra tibia e femore, l’ISL si articola assecondandone il movimento e la posa tridimensionale del sistema di riferimento {XT,YT,ZT} relativamente al sistema {XF,YF,ZF} può essere descritta attraverso la concatenazione di matrici di trasformazione in termini dei parametri di Denavit-Hartenberg [8]. La procedura descritta è stata quindi applicata al sistema artificiale di Figura 1. In accordo ai protocolli clinici,

Fig. 3 - Rappresentazione geometrica della configurazione dell’ISL (dimensioni in millimetri).

il movimento passivo al ginocchio è stato imposto manualmente, afferrando il tallone ed applicando una moderata coppia al fine di indurre una rotazione longitudinale alternata e concomitante alla flessione funzionale. Le traiettorie descritte dai due punti C e D solidali alla tibia (v. Figura 3) sono state rilevate dall’ISL e vengono riportate in Figura 4 con curve di colore rosso e blu, rispettivamente.

IDENTIFICAZIONE DEGLI ASSI DI ROTAZIONE DOMINANTI

L’identificazione dell’asse funzionale di flesso-estensione del ginocchio e dell’asse ausiliario di rotazione longitudinale è basata sull’assunzione che, durante il movimento passivo del ginocchio, i punti su quest’ultimo asse descrivono traiettorie approssimativamente piane e circolari, e che l’asse di flesso-estensione sia ad esse ortogonale [5]. Attraverso una procedura di stima ai minimi quadrati delle possibili traiettorie descritte da due punti, E ed F, solidali all’asse tibiale, è possibile identificare simultaneamente entrambi gli assi di rotazione dell’articolazione tibio-femorale [9]. Le traiettorie identificate per i due punti E ed F appartenenti all’asse di rotazione longitudinale del ginocchio artificiale, sono riportate in colore giallo e verde, rispettivamente, nella Figura 4. Come si può osservare in figura, tali traiettorie sono approssimativamente complanari.

Fig.4 - Traiettorie dei punti C (in rosso) e D (in blu) rilevate sperimentalmente dall’ISL sul ginocchio artificiale, e traiettorie dei due punti E (in giallo) ed F (in verde) identificati sull’asse di rotazione longitudinale (dimensioni in millimetri).

Una volta identificati tali assi, è possibile costruire un modello matematico equivalente a due gradi di libertà del ginocchio.
Tale modello è tale da approssimare la cinematica articolare in maniera più accurata del modello ad un solo grado di libertà adottato nella progettazione dei fissatori articolati tradizionali. Una rappresentazione di tale modello cinematico è riportata in Figura 5, e sovrapposta al modello multibody in ambiente MSC-ADAMS.

Fig. 5 - Collocazione degli assi di rotazione del ginocchio artificiale (cilindri rossi) in ambiente MSC-ADAMS, per come identificati dalla procedura, e corrispondente modello equivalente a due gradi di libertà (delineato in giallo).

Nella stessa figura sono anche riportati i due assi di rotazione, rappresentati come cilindrici rossi e sottili.

CONCETTUALIZZAZIONE ED IMPIANTO DEL FISSATORE ESTERNO

Identificati gli assi di flesso-estensione e di rotazione longitudinale, che approssimano adeguatamente i dati sperimentali rilevati dalla cinematica articolare in movimentazione passiva, è possibile concettualizzare un fissatore articolato esterno avente due giunti rotoidali allineati con tali assi di rotazione. Dal punto di vista meccanico, tale fissatore è costituito da un meccanismo a due gradi di libertà e da due strutture di supporto che ne permettono il corretto posizionamento rispetto alla tibia ed al femore. Il giunto del meccanismo accoppiato alla flesso-estensione è realizzato mediante una cerniera rotoidale, mentre il giunto accoppiato alla rotazione longitudinale è realizzato attraverso un anello circolare accoppiato ad un cursore scorrevole in moto circonferenziale. Tale meccanismo è rappresentato in colore blu nella Figura 6.

Fig. 6 - Rappresentazione multibody in ambiente MSC-ADAMS di impianto del fissatore articolato: gli assi meccanici dei due gradi di libertà del meccanismo sono allineati con gli assi di rotazione identificati del ginocchio.

Le strutture di supporto sono invece costituite da una serie di corpi rigidi collegati reciprocamente mediante giunti rotoidali e/o prismatici (di comune uso nei fissatori esterni [2]) aventi meccanismi di serraggio, in modo da consentire una articolazione spaziale delle strutture e successivamente un loro bloccaggio in sede. Tali strutture articolate di supporto sono rappresentate in colore grigio nella Figura 6.
Il software multibody MSC-ADAMS, in questo contesto, risulta di fondamentale assistenza, in quanto permette in maniera virtuale di articolare propriamente le strutture di supporto, mantenendo fissi gli assi di flesso-estensione e rotazione longitudinale, e nel contempo di assecondare i requisiti di ingombro e di comfort della configurazione ottenuta.
In una eventuale applicazione clinica del dispositivo, la procedura descritta consentirebbe di determinare agevolmente la configurazione desiderata delle strutture di supporto del fissatore in ambiente MSC-ADAMS, e di trasferirla quindi sul sistema reale, garantendo il rispetto della posizione relativa degli assi di rotazione del meccanismo per come identificati.

CONCLUSIONI

In questo lavoro è stato presentato un modello concettuale di un innovativo fissatore articolato per la riabilitazione del ginocchio. Il dispositivo è potenzialmente in grado di assecondare l’effettiva cinematica tridimensionale del ginocchio in maniera più adeguata, rispetto ai fissatori tradizioni ad un solo grado di libertà. Il dimensionamento del fissatore e la sua procedura di impianto sono stati simulati mediante la creazione di un modello multibody in ambiente MSC-ADAMS dell’intero assieme, costituito dai segmenti ossei, dal meccanismo mobile a due gradi di libertà e dalle strutture di collegamento. L’ausilio del software multibody MSC-ADAMS ha permesso di determinare la configurazione desiderabile del sistema in modo tale da poterla implementare effettivamente sul dispositivo reale, ed assicurare il corretto allineamento degli assi di mobilità del meccanismo con gli assi di flesso-estensione e di rotazione longitudinale identificati per la specifica articolazione da riabilitare. In tal modo è potenzialmente possibile ridurre i tempi di riabilitazione e nel contempo garantire un migliore recupero funzionale dell’articolazione.

RINGRAZIAMENTI

L’autore ringrazia il supporto di “MSC Research Assist Program 2014”, mediante il quale è stato concesso l’utilizzo del software di simulazione multibody MSC-ADAMS per le proprie ricerche.

BIBLIOGRAFIA

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[2]   J.P. Stannard, C.W. Nuelle, G. McGwin, D.A. Volgas, “Hinged External Fixation in the Treatment of Knee Dislocations: a Prospective Randomized Study”, Journal of Bone Joint Surgery 96, pp. 184-191, 2014.
[3]   A.M.J. Bull, A.A. Amis, “Knee joint motion: description and measurement”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine 212, pp. 357-372, 1998.
[4]   P.N. Smith, K.M. Refshauge, J.M. Scarvell, “Development of the concepts of knee kinematics”, Archives of Physical Medicine and Rehabilitation 84, pp. 1895-1902, 2003.
[5]   A. Williams, M. Logan, “Understanding tibio-femoral motion”, Knee 11, pp. 81-88, 2004.
[6]   G. Gatti, “Conceptual design and implantation of an external fixator with improved mobility for knee rehabilitation”, Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering 20(8), pp. 884–892, 2017.
[7]   G. Gatti, D. Mundo, G. Danieli, “Kinematic analysis and performance evaluation of 6R instrumented spatial linkages”, Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering 34(1) 2010.
[8]   G. Gatti, G. Danieli, “Validation of a calibration technique for 6-DOF instrumented spatial linkages”, Journal of Biomechanics 40, pp. 1455-1466, 2007.
[9]   G. Gatti, “On the estimate of the two dominant axes of the knee using an instrumented spatial linkage”, Journal of Applied Biomechanics 28, pp. 200-209, 2012.

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