Modellazione multibody dell’arto superiore: studio biomeccanico dell’articolazione sterno-clavicolare = Multibody modeling of the upper limb: biomechanical study of the sternoclavicular joint

L’articolazione sterno-clavicolare (SC) è una diartrosi che mette in relazione l’estremità sternale della clavicola con il manubrio dello sterno ed ha un ruolo importante per il moto relativo tra il cingolo scapolare e lo scheletro assiale. Ad oggi, l’incidenza delle problematiche associabili al giunto SC risulta essere soltanto l’1% per le dislocazioni articolari umane e il 3% per quelle del cingolo scapolare; inoltre, in letteratura sono presenti pochi studi relativi a tale articolazione. Questo lavoro di tesi ha come scopo la creazione di un modello mutibody dell’articolazione sterno-clavicolare che consenta di eseguire analisi biomeccaniche su questo giunto ai fini diagnostici e ricostruttivi. La prima parte del lavoro è stata dedicata ad una approfondita analisi della lette- ratura relativa agli aspetti anatomici del giunto SC e allo stato dell’arte dei modelli biomeccanici di arto superiore. In seguito è stato realizzato il modello direttamente nell’ambiente multibody, prendendo in considerazione un soggetto normopeso (1.75 m e 70 kg). Le geometrie ossee, ottenute da modelli CAD, sono state importate e mo- dellate come corpi rigidi con opportune proprietà inerziali. Il modello ottenuto replica la struttura anatomica della gabbia toracica, comprensiva di sterno, omeri, clavicole e scapole. In seguito sono stati introdotti e modellati come forze elastiche, i muscoli e i legamenti principali in relazione alla loro azione sull’articolazione SC. Per le com- ponenti muscolari è stato implementato il modello muscolo-tendineo di Hill tramite la formulazione analitica specifica per l’ambito multibody di Silva, mentre per i legamenti è stata adottata una legge quadratica comunemente utilizzata per la loro modellazio- ne. L’articolazione sterno-clavicolare è stata modellata tramite i legamenti e le forze di contatto tra clavicola e sterno, in modo da replicare il movimento del giunto in corrispondenza delle superfici articolari. Invece, i giunti gleno-omerale e acromion- clavicolare sono stati modellati come “ball and socket”, ovvero vincoli sferici a 3 gradi di libertà. Una volta definito il modello in tutte le sue componenti, è stata eseguita un’analisi cinematica inversa riproducendo i movimenti di flesso-estensione, abduzione-adduzione e sollevamento della clavicola nel piano frontale. Per ogni tipologia di movimento, sono stati confrontati gli andamenti e i valori delle forze di contatto relative al giunto SC con dati presenti in letteratura e con un modello OpenSim già validato. Il modello sviluppato si è dimostrato in grado di replicare i movimenti fisiologici del giunto in esame e l’analisi delle forze di contatto ha consentito di validare la sua rispo- sta sotto diverse condizioni. Lo strumento messo a punto in questo lavoro di tesi è stato realizzato al fine di ot- tenere un modello efficiente dal punto di vista computazionale, in grado di replicare il comportamento del giunto SC e servire dunque come strumento per l’analisi e la progettazione specifica di protesi articolari. Futuri sviluppi del modello includeran- no la modellazione dell’attivazione dei singoli muscoli, in modo tale da poter svolgere analisi più dettagliate dell’intensità dello sforzo richiesto per lo svolgimento di ciascun movimento.