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libreria tecnologia

12 Set 2016

Articolazioni del corpo umano: ingegneri e medici per descriverne il funzionamento

Scritto da

Come si comportano le articolazioni del corpo umano? Qual è il ruolo di ossa, legamenti, muscoli e altre strutture nel permettere e guidare il nostro movimento?

Curiositá, ma anche domanda scientifica, a cui medici e ricercatori cercano di rispondere da sempre per comprendere a fondo il funzionamento del corpo umano e anche per individuare nuovi metodi e dispositivi di cura.

Giá in epoca ellenistica, studiosi della scuola alessandrina analizzarono l'anatomia e le principali funzioni del sistema nervoso e dell'apparato locomotore. Solo nel XIV secolo d.C., però, vennero realizzati i primi studi anatomici sistemici dalla scuola di Bologna e alla fine del XV secolo d.C. Leonardo Da Vinci firmò la prima iconografia anatomica scientifica. Mentre in principio gli studiosi si concentrarono prevalentemente sulla descrizione degli organi componenti il corpo, con l'avvento del sistema galileiano e con i progressi della tecnologia, iniziarono a svilupparsi anche i primi studi sulla fisiologia, ovvero vennero analizzate le funzioni che regolano i diversi sistemi vitali. Sebbene le funzioni e i ruoli degli elementi dell'apparato muscolo-scheletrico siano stati definiti da tempo a livello generale, è ancora da determinare ed è quindi di grande interesse la valutazione di quanto ogni elemento contribuisca e come si comporti per far fronte alle diverse sollecitazioni a cui può essere sottoposto durante la vita di un essere umano. Lo sviluppo di nuove tecniche di analisi e di calcolo aiuta i ricercatori ad analizzare tali funzioni con maggiore dettaglio. Negli ultimi decenni molti gruppi di ricerca composti prevalentemente da medici, tecnici e ingegneri si sono dedicati in particolare allo studio del comportamento delle singole articolazioni, con l'obiettivo di sviluppare dei modelli che siano in grado di riprodurne il movimento.

Nell'ampio panorama internazionale della ricerca, un ruolo importante è detenuto dal gruppo che ha visto la collaborazione del GRAB (Group of Robotics, Automation and Articular Biomechanics) dell'Università di Bologna e del Laboratorio di Analisi del Movimento dell’Istituto Ortopedico Rizzoli (IOR) di Bologna. Il gruppo GRAB+IOR si è recentemente occupato di sviluppare una procedura per generare modelli in grado di replicare il comportamento delle articolazioni, con particolare riferimento all'arto inferiore. Dall'integrazione di dati anatomici e di movimento (misurati direttamente su volontari o su campioni provenienti da donatori) con complessi algoritmi di calcolo, i ricercatori hanno dato vita a modelli capaci di replicare il comportamento delle articolazioni.

In particolare, la procedura proposta prevede di giungere al modello finale tramite tre passi, che permettono di sviluppare tre modelli in sequenza. Ogni modello è più ricco del precedente in quanto via via vengono aggiunte ad esso strutture e caratteristiche dell’articolazione. Più ricco significa più complesso dal punto di vista computazionale, ma anche più esaustivo nella descrizione del comportamento.

Qual è il movimento naturale del ginocchio, ovvero quello posseduto dall’articolazione se non sono applicate ad esso delle forze? Cosa succede nel ginocchio (in termini di movimento e di forze nelle strutture anatomiche) quando l'ortopedico lo sottopone a test clinici, come ad esempio quello del cassetto? Quanta forza è richiesta al quadricipite quando si cammina e quanta quando ci si alza dalla sedia?

Ciascuno dei 3 modelli di ginocchio ottenuti in sequenza grazie alla procedura sviluppata dai ricercatori permette di rispondere ad una di queste domande, considerando inizialmente solo la forma delle superfici articolari e alcuni legamenti, poi via via aggiungendo tutti i legamenti, i tendini e i muscoli. Se durante una visita il medico flette il ginocchio mentre si rimane rilassati senza forzarne il movimento, il moto tra le ossa è guidato principalmente dalle superfici articolari, dai menischi e da alcuni legamenti. Questo permette di determinare un primo modello semplice che descrive il moto naturale del ginocchio. Se invece il medico forza il ginocchio sottoponendolo, ad esempio, al test del cassetto, devono entrare in gioco altri legamenti che esercitano una funzione contenitiva e di vincolo. Il test del cassetto, infatti, fa parte dei test che permettono all'ortopedico di valutare eventuali lesioni ai legamenti. Da qui nasce un secondo modello che descrive il comportamento del ginocchio quando ad esso vengono applicate forze statiche esterne. Se infine si considera di camminare, correre o saltare, allora al contributo dei legamenti si deve aggiungere quello essenziale dei muscoli, che permettono di esercitare la forza necessaria per movimentare l’articolazione equilibrando i carichi esterni. Il terzo ed ultimo modello descrive appunto il comportamento completo del ginocchio, considerando anche la sua dinamica.

Questi modelli hanno una struttura generale che può essere, per così dire, personalizzata se si conoscono i dati anatomici e di movimento di un singolo soggetto. Da qui è possibile calcolare quali forze vengono scambiate tra le ossa, quali vengono esercitate da legamenti, tendini e muscoli quando il soggetto esegue i diversi compiti motori. Fino ad ora per le due articolazioni diartrosiche di ginocchio e caviglia sono stati sviluppati i primi due modelli, mentre per quanto riguarda il terzo passo, ovvero il modello dinamico completo, gli studi sono ancora in corso.

Oltre a dare le risposte alle domande di apertura dell'articolo, la grande importanza di questi modelli risiede anche nel supporto che essi possono dare alla pianificazione di interventi (per esempio di ricostruzione di un legamento lesionato) e nella progettazione di nuovi dispositivi protesici. Grazie a questi modelli, infatti, sono state recentemente sviluppate soluzioni protesiche innovative, orientate al recupero della mobilità, senza alterare significativamente l'assetto del corpo del paziente.

Fonti:

Franci R., Parenti-Castelli V., and Sancisi N. "A three-step procedure for the modelling of human diarthrodial joints." International Journal of Mechanical Control10.1 (2009): 3-12.

Margherita Forlani

Dottoressa di ricerca in Meccanica Applicata alla Scuola di Ingegneria dell’Università di Bologna, con un progetto sulla modellazione della articolazione della gamba umana. Attualmente si occupa di progettazione di macchine automatiche e di docenza in percorsi di formazione tecnica post-diploma.

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