Development of a musculoskeletal spinal model with fully explicit passive elements: an exploratory study

La colonna vertebrale è una componente strutturale fondamentale del corpo umano, che fornisce stabilità, flessibilità e protezione. Si tratta di una regione anatomica altamente complessa, caratterizzata da una cinematica e una distribuzione dei carichi in cui sono coinvolti numerosi elementi, sia passivi (dischi intervertebrali, legamenti e faccette articolari) che attivi (muscoli). Poiché la colonna lombare è sottoposta a carichi elevati e a frequenti movimenti durante le attività quotidiane, rappresenta un sito primario per lo sviluppo di diversi tipi di disturbi muscoloscheletrici, sempre più comuni. Tra questi, il dolore lombare è il più diffuso ed è una delle principali cause di limitazione delle attività. Per questa ragione, una comprensione approfondita dell'interazione tra elementi attivi e passivi nella stabilità e nel movimento della colonna vertebrale può offrire un supporto cruciale nello sviluppo di linee guida riabilitative e trattamenti efficaci per i disturbi muscoloscheletrici che colpiscono questa regione anatomica. Sebbene i metodi sperimentali siano fondamentali per acquisire questa conoscenza, la loro natura invasiva ne limita l’utilizzo nell’analisi clinica. Ciò evidenzia l'importanza dei modelli biomeccanici computazionali, in particolare dei modelli multibody, che permettono di simulare strutture flessibili e l’attività muscolare. Questo progetto ha l'obiettivo di sviluppare un modello muscoloscheletrico della colonna lombare in grado di simulare il comportamento fisiologico di questa regione anatomica. Partendo da un modello T12-S1 composto esclusivamente da elementi passivi, sono state introdotte caratteristiche aggiuntive, tra cui le pelvi come nuove geometrie e i muscoli, rappresentati come fasci muscolari condensati. La loro attivazione è stata regolata da controllori PID (Proportional-Integral-Derivative) per garantire che l'attività muscolare replicasse il più fedelmente possibile le condizioni fisiologiche. Il modello risultante è stato quindi testato per valutarne la funzionalità. In particolare, è stata analizzata la sua capacità di stabilizzare il modello opponendosi a forze esterne che simulano il peso corporeo gravante sulla regione lombare. Inoltre, è stata esaminata la capacità del modello di riprodurre semplici movimenti, come la flessione laterale. I risultati ottenuti hanno confermato il corretto funzionamento del modello muscolare implementato. Inoltre, le simulazioni hanno fornito informazioni importanti in termini di range of motions, di distribuzione dei carichi nei singoli livelli intervertebrali e di contributi muscolari.