Analisi computazionale tramite modello multibody della forza di reazione dell’anca durante diverse attività quotidiane = Computational multibody analysis of the hip reaction force during different daily motion tasks

L’artroplastica dell’anca risulta essere tra le principali tecniche ortopediche in grado di migliorare in maniera importante la qualità di vita dei pazienti per cui si è reso necessario l’intervento chirurgico in seguito a malattie degenerative che portano ad una riduzione delle funzionalità fisiologiche dell’articolazione coxo-femorale e spesso alla concomitante insorgenza di dolore. Nonostante i notevoli sviluppi riguardanti le prestazioni delle protesi d’anca, l’instaurarsi di fenomeni di natura meccanica, tra cui l’usura dei componenti protesici, costituisce ancora una causa di fallimento precoce dell’impianto. Al fine di identificare i fattori scatenanti questi fenomeni risulta fondamentale la conoscenza delle forze articolari che si instaurano durante i movimenti di vita quotidiana. Comunque, la quantificazione in vivo di tali forze tramite metodi sperimentali risulta complicata. Questo ha portato allo sviluppo e all’utilizzo, sempre più diffuso, di modelli numerici muscoloscheletrici quali strumenti alternativi per la stima delle forze articolari. In questo contesto, lo scopo del lavoro di tesi è stato il perfezionamento di un modello muscoloscheletrico di arto inferiore protesizzato capace di predire le forze di contatto all’anca. La prima parte del lavoro ha previsto la modifica del modello di arto preesistente aggiungendo il piede e i principali muscoli flesso estensori della caviglia prendendo come riferimento il modello ‘Gait 2392’ del software OpenSim. Dati cinematici e forze di reazione al terreno, relativi ad un paziente medio (85.2 kg), sono stati estrapolati dal database OrthoLoad (HIP98, Bergmann et al., 2001) disponibile in letteratura, per poi essere adattati e integrati nel modello al fine di simulare quattro diversi movimenti di vita quotidiana: camminare, flettersi sulle ginocchia (squatting), sedersi e alzarsi da una sedia. La simulazione di ciascun movimento ha previsto l’esecuzione di due analisi complementari. A partire dalle traiettorie dei marker acquisiti sperimentalmente, una prima analisi cinematica inversa è stata implementata per ricavare gli allungamenti muscolari generati durante i movimenti considerati. Successivamente, gli allungamenti muscolari ottenuti sono stati usati come input, insieme alle forze di reazione al terreno, per calcolare le force muscolari necessarie a replicare la corretta cinematica dei movimenti e la forza di contatto tra testa femorale e componente protesica acetabolare. Infine, angoli articolari e forza di contatto all’anca (in modulo e le rispettive tre componenti), risultanti dalle simulazioni, sono stati graficati e confrontati, in ambiente Matlab, con i rispettivi dati sperimentali riportati in letteratura. I risultati delle simulazioni mostrano come il modello implementato sia in grado di replicare in modo soddisfacente la cinematica dei movimenti studiati ad eccezione della camminata. Inoltre, dalle analisi dinamiche effettuate si nota una tendenza del modello a sovrastimare le forze di contatto. Comunque, un comportamento simile si riscontra in studi numerici simili riportati in letteratura. In conclusione, il modello muscoloscheletrico sviluppato presenta delle potenzialità che, in seguito ad ulteriori miglioramenti, potranno essere sfruttate per la stima dei carichi articolari, i quali rappresentano informazioni essenziali per replicare in silico scenari di test realistici utili a valutare preliminarmente le prestazioni di protesi d’anca.