Applicazione della Modellazione muscoloscheletrica nella simulazione del gesto dello squat per la predizione del rischio di lesione al legamento crociato anteriore

La lesione del legamento crociato anteriore, parziale o totale, è uno degli infortuni più temuti in ambito sportivo, data la sua gravità e la sua epidemiologia. Esso colpisce atleti anche molto giovani, con un’incidenza leggermente maggiore per le donne rispetto agli uomini e obbliga, nella maggior parte dei casi, la vittima a subire un intervento invasivo di ricostruzione del legamento. Oltre ad avere lunghi tempi di guarigione, tale tipo infortunio porta spesso gli sportivi a competere a livelli più bassi di quelli di partenza, date le peggiori qualità meccaniche che il componente ricostruito presenta rispetto al legamento originale. L’obiettivo di questa tesi è effettuare una previsione del rischio di infortunio al legamento crociato anteriore durante un movimento specifico: lo squat bipodalico. Tale studio viene svolto stimando dei parametri interni che non sono misurabili in vivo, come le forze muscolari prodotte e le deformazioni subite dai legamenti. Gli strumenti utilizzati per compiere questo lavoro sono quelli di base dell’analisi del movimento: stereofotogrammetria e modellazione muscoloscheletrica. La prima si serve di strumenti quali videocamere, marcatori, pedane di forza e di pressione ed eventualmente sensori per EMG di superficie per raccogliere dati riguardanti le traiettorie dei segmenti corporei nello spazio di acquisizione, le forze di reazione vincolare al suolo e le attività muscolari. La modellazione muscoloscheletrica, invece, si serve principalmente di software come OpenSim e Matlab per stimare, appunto, momenti articolari e forze interne che hanno prodotto il movimento analizzato. Nello specifico in questo lavoro di tesi, per la parte di modellazione muscoloscheletrica, si è utilizzato un modello biomeccanico del ginocchio a 6 gradi di libertà sviluppato presso il BiomovLab (Pavan 2020). Sono stati valutati in tutto sei soggetti: un patologico con precedente infortunio all’ACL destro e cinque sani, con l’obiettivo di fungere da parametri di controllo. L’analisi è stata svolta a partire dai file ‘.c3d’ già precedentemente ottenuti dalle acquisizioni stereofotogrammetriche, i quali sono stati prima tagliati nei frame di interesse con una tecnica di padding e poi convertiti nella tipologia di file compatibile con OpenSim (‘.mot’ e ‘.trc’) tramite il software toolbox MOtoNMS. Tali file non sono stati poi processati direttamente tramite OpenSim ma con altri software MatLab, quali: l’ Automated Scale Tool (AST) per effettuare la procedura di scaling del modello in maniera più veloce ed automatica ed il Batch OpenSim Processing Scripts (BOPS), che ha permesso di calcolare i risultati di inverse kynematics, inverse dynamics, muscle analysis e static optimization di diversi trial contemporaneamente. Infine, i dati relativi ai parametri meccanici dei diversi legamenti, come la deformazione complessiva indicata con “differential intra-bundle strain” (DIBS), sono stati estratti tramite un innovativo codice sviluppato dal BioMovLab del dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università degli studi di Padova.