Analisi computazionale multibody delle sollecitazioni intra-articolari dell'anca durante il ciclo del passo: effetto della lunghezza del collo femorale = Multibody computational analysis of intra-articular hip loads during the gait cycle: effect of femoral neck length

L’artroplastica totale dell’anca è ormai ritenuta consolidata, è infatti uno degli interventi più comuni in ambito ortopedico. La ricostruzione anatomica è ritenuta la chiave per ottenere un risultato longevo e funzionale. Tuttavia, durante l’operazione, il ripristino fisiologico risulta difficile. La variazione di parametri, quali la lunghezza del collo femorale, possono causare usura precoce, mobilizzazione dell’impianto o lussazione. Quantificare i carichi agenti sulla protesi, permetterebbe di capire quali siano le condizioni più critiche, riuscendo a prevenirne il fallimento. Scopo di questo lavoro di tesi è studiare, tramite approccio computazionale, le forze intra-articolari durante la camminata al variare della lunghezza del collo femorale. I dati sulla deambulazione, quindi traiettorie dei marker e forze di reazione al terreno, sono stati derivati dal lavoro svolto da Bergmann et al. (2001). Tramite il software multibody OpenSim, a partire dal modello ‘gait2392’ disponibile in letteratura, sono stati creati tre modelli di arto inferiore sinistro (aventi pelvi, femore, tibia e piede), ognuno caratterizzato da una diversa lunghezza del collo femorale (Lc): condizione di riferimento (Lc=38 mm), modello con collo lungo (Lc= 42 mm) e modello con collo corto (Lc=32 mm). Il flusso di lavoro adottato ha previsto dapprima il ridimensionato di ogni modello sulle geometrie di un paziente medio riportato da Bergmann. Dopodiché, il calcolo della cinematica inversa ha permesso di trovare le variazioni degli angoli articolari nel tempo. Grazie ad esse è stata eseguita un’ottimizzazione statica ottenendo, così, le forze di reazione all’articolazione e le forze muscolari generate per compiere il ciclo del passo. I risultati delle simulazioni sono stati confrontati con i dati riportati in letteratura. Nello specifico, sono stati calcolati i moduli e graficati gli andamenti delle forze di reazione all’anca e dei principali gruppi muscolari coinvolti nel movimento dell’articolazione. In generale, l’andamento del modulo della forza di reazione ottenuto, caratterizzato dalla presenza di due picchi, è risultato coerente rispetto alla letteratura. Inoltre, si è osservato che un aumento della lunghezza del collo femorale comporta principalmente una diminuzione della forza espressa dai muscoli abduttori del 2% e conseguentemente una diminuzione delle forze di contatto all’anca di 3,4% rispetto alla condizione di riferimento. Viceversa, accorciando il collo femorale si è osservato un aumento della forza dei muscoli abduttori del 2%, con un rispettivo aumento della forza di contatto pari al 3,5%. Alla luce dei risultati ottenuti, l’approccio computazionale adottato, si è rivelato efficace per lo studio in silico dell’influenza della variazione della lunghezza del collo femorale sulle sollecitazioni riscontrate all’anca, riuscendo a quantificare i carichi intra-articolari. Tali risultati, potranno essere utilizzati come condizioni al contorno per simulazioni agli elementi finiti, che tengano in considerazione la specifica configurazione anatomica di partenza, per ricavare le sollecitazioni di tensione e deformazione di protesi d’anca, con il fine ultimo di prevedere scenari che possano essere causa di usura accelerata dei componenti protesici.