Modello muscoloscheletrico soggetto-specifico degli arti inferiori per la simulazione di test di forza massimale = Subject-specific musculoskeletal model of the lower limbs for simulating maximal force test

In ambito clinico, i test sperimentali per la quantificazione della forza muscolare rappresentano, ad oggi, l’iter più comune per la diagnosi di patologie di natura neuromuscolare. Tuttavia, tali misure forniscono informazioni parziali (rispetto ad un quadro clinico potenzialmente complesso) e risultano scarsamente ripetibili. In questo contesto, lo sviluppo di modelli muscoloscheletrici (MS) personalizzati da usarsi per simulazioni biomeccaniche (in silico) permette di superare tali limitazioni portando ad una standardizzazione del test clinico, e permettendo di condurre analisi più approfondite della dinamica sistema muscoloscheletrico. Il processo di personalizzazione dei modelli MS segue flussi di lavoro ormai consolidati, ma complessi e spesso laboriosi che ne limitano l’utilizzo in ambito clinico. Pertanto, ciò che si propone in questo lavoro di tesi è la definizione di un flusso di lavoro per la generazione di modelli muscoloscheletrici personalizzati, a partire da immagini di risonanza magnetica, che, combinando metodiche consolidate ed innovative, consenta di ridurre sensibilmente le tempistiche per lo sviluppo del modello stesso pur garantendo un equiparabile livello di accuratezza. In particolare, si è utilizzato il toolbox STAPLE (basato su codici Matlab) per generare un modello scheletrico (composto di ossa unite da giunti) a partire dalle geometrie ossee segmentate manualmente sulle immagini mediche. A questo sono stati successivamente aggiunti i punti muscolari, così da definire una serie di attuatori lineari (rappresentativi dei muscoli degli arti inferiori) la cui forza massimale è stata calcolata a partire dai volumi muscolari del soggetto sotto esame, estratti dalle immagini mediche tramite tecniche di segmentazione semi-automatica. Il modello così generato è stato confrontato ad un modello sviluppato seguendo le linee guida proposte dall’INSIGNEO Institute (Sheffield, UK). Le simulazioni biomeccaniche sono state svolte in ambiente OpenSim. Sono state definite le condizioni al contorno per riprodurre un task di forza massimale isometrica del soggetto posto a sedere, per simulare una calciata. Coniugando i risultati della cinematica con i dati relativi alle condizioni al contorno, è stato possibile estrarre le forze e le attivazioni muscolari attraverso il Tool di Ottimizzazione Statica, con particolare attenzione ai flessori ed estensori della coscia destra, direttamente coinvolta nel test. Avendo a disposizione dati sperimentali (elettromiografia e dinamometria) acquisiti sullo stesso soggetto mentre eseguiva un task di contrazione massimale in condizione isometriche, congrui con la letteratura, è stato possibile quantificare l’abilità di ciascun modello di seguire e/o predire i valori veri.