Modellazione multibody dell'arto superiore in ambiente OpenSim per analisi biomeccaniche dell'articolazione sternoclavicolare = Multibody modeling of the upper limb in OpenSim for biomechanical analysis of sternoclavicular joint

I modelli multibody muscoloscheletrici sono una risorsa importante nell’ambito medico e biomeccanico. Negli ultimi anni si è assistito a uno sviluppo nell’impiego di tali modelli in diversi settori, in particolare in quelli che si occupano della valutazione e del trattamento di patologie e della progettazione di impianti ortopedici. È difficile reperire in letteratura modelli numerici degli arti superiori che comprendano la simulazione dell’articolazione sternoclavicolare, le cui lesioni traumatiche comprendono circa il 3% di tutte le lesioni della spalla. L’utilizzo di tali modelli è fondamentale al fine di comprenderne il funzionamento e progettare protesi che ne ripristino al meglio la funzionalità in termini di mobilità e resistenza. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di analizzare e validare un modello muscoloscheletrico di arto superiore ponendo in particolare attenzione all’articolazione sternoclavicolare. Utilizzando il software OpenSim e un modello esistente di arto superiore, sono state condotte delle analisi cinematiche e dinamiche replicando i movimenti di abduzione-adduzione, flessione-estensione ed elevazione-depressione con l’obiettivo di verificare il campo di mobilità dell’articolazione e le forze di contatto che agiscono sul vincolo in condizioni fisiologiche e nel caso di inserimento di protesi. Il modello è stato inizialmente validato dal punto di vista cinematico (angoli articolari) e dal punto di vista dinamico (forze muscolari e forze di contatto al giunto) confrontando tali grandezze con dati sperimentali ricavati dalla letteratura. Dopo la validazione, il modello è stato modificato con l’inserimento di una protesi rigida (piastra di collegamento tra clavicola e sterno), utilizzata nella pratica medica per il consolidamento del giunto a seguito di lesioni. Su questo nuovo modello sono state eseguite le stesse simulazioni del modello precedente per valutare le differenze in termini di angoli articolari, forze muscolari e forze che agiscono in corrispondenza di questo nuovo vincolo imposto. Il ripristino del giunto tramite un vincolo fisso ha generato una riduzione del campo di mobilità dell’intera articolazione di spalla. Si confrontano i movimenti dell’omero: durante l’abduzione, la rotazione sul piano frontale appare ridotta di 15° e sul piano sagittale di 40°; durante la flessione, sul piano frontale si osserva una riduzione di 10° e sul piano sagittale di 60°, mentre il caso dell’elevazione della spalla presenta un comportamento diverso rispetto al caso fisiologico dimostrando la completa eliminazione della mobilità della clavicola. Dal punto di vista delle forze muscolari, non sono state rilevate differenze sostanziali in termini di modulo della forza, fatta eccezione per il trapezio superiore che nel caso del modello con protesi non si attiva. Per quanto riguarda le reazioni scambiate al giunto, invece, il modello con protesi sviluppa delle forze maggiori rispetto alle sollecitazioni di contatto nel caso fisiologico, raggiungendo un valore massimo di 250 N nel caso dell’elevazione della spalla, valore che comunque rientra in range fisiologici in base alle informazioni reperite in letteratura. I dati ricavati da questo studio hanno permesso di quantificare le limitazioni generate dalla protesizzazione dell’articolazione sterno-clavicolare con un elemento solido, secondo una pratica consolidata e potranno essere utilizzati per analizzare altre soluzioni protesiche più performanti dal punto di vista riabilitativo.