• modelli muscolo-scheletrici

La conoscenza delle forze muscolari agenti sul sistema scheletrico durante l’esecuzione di un gesto motorio è importante per diverse problematiche che si riscontrano in ambito clinico. L’interesse per lo stato di sollecitazione dei segmenti ossei è motivato da molti aspetti della pratica ortopedica, tra cui la predizione del rischio di frattura, la coordinazione neuromuscolare, la progettazione protesica, la ricostruzione di segmenti scheletrici e lo studio del rimodellamento osseo.
Il laboratorio di tecnologia medica (LTM) ha come principale interesse lo sviluppo di tecniche per la previsione del rischio di frattura delle ossa. Le condizioni di carico delle ossa sono determinate, come dimostrò F. Pauwels [1], in modo significativo dalle azioni muscolari. Dunque conoscere il contributo muscolare è importante se si vuole studiare le deformazioni dell’osso per predire il rischio di frattura.
Attualmente non esistono degli strumenti adatti a misurare in modo non invasivo le forze esercitate in vivo dai muscoli durante un definito task motorio.Tali forze non possono essere rilevate da misure dirette perché questo presupporrebbe l’uso di sensori impiantabili all’interno del corpo. Si pone in questi casi il problema etico del rapporto tra i potenziali rischi connessi all’invasività della tecnica e i benefici ricavabili per il soggetto esaminato. Le poche misurazioni dirette possibili delle reazioni articolari sono ottenibili attraverso protesi strumentate [2], misure possibili solo su pochi soggetti anziani o che comunque richiedano un intervento di ricostruzione articolare come conseguenza di una qualche patologia. Altre misure dirette possibili sono la misura della tensione tendinea attraverso l’inserimento nel tendine di fibre ottiche [3], la misura dell’attività elettrica attraverso esami elettromigrafici e la registrazione del campo di temperatura durante la contrazione attraverso spettrometria a raggi infrarossi [4]. Ognuna di queste tecniche sopra descritte fornisce misure parziali che non descrivono in modo esaustivo la meccanica muscolo-scheletrica.
A causa delle limitazioni delle attuali tecniche sperimentali, appena menzionate, esiste un grande interesse nella comunità scientifica nello sviluppo di modelli che, una volta sviluppati e verificati, consentirebbero una descrizione completa della meccanica del sistema muscolo-scheletrico.
Le tecniche di modellazione correnti si basano su di una schematizzazione della catena cinematica scheletrica e sulla rappresentazione delle azioni muscolari come vettori forza. Uno dei limiti di questa procedura si basa sul fatto che il modello muscolare (una serie di vettori forza) è normalmente definito attraverso considerazioni squisitamente anatomiche rendendo impossibile capire se il modello muscolare sia in grado di replicare l’effetto meccanico che il muscolo esercita sullo scheletro sottostante, e di capirne l’accuratezza.
Un altro aspetto critico nello sviluppo di modelli muscolo-scheletrici è legato alla mancanza di dati necessari per la costruzione di un modello subject-specific di ogni paziente. Di fatto non è sempre possibile sottoporre il paziente a tutti gli esami clinici necessari per sviluppare un modello. Per ovviare a tale mancanza talvolta si utilizzano dati derivanti da fonti estremamente diversificate (immagini diagnostiche, studi su cadavere e studi su soggetti vivi). Tale complessità è spesso un ostacolo importante per la ricerca in questo campo. In questo lavoro di tesi è stato possibile utilizzare dati e strumenti creati e messi a disposizione nell’ambito di un progetto europeo (LHDL, IST-2004-026932) recentemente concluso e che si è posto come obiettivo quello di dare una risposta concreta al problema creando unnfrastruttura per la condivisione dei dati biomedici.
Durante il progetto sono state realizzate uno spazio web (www.biomedtown.it) per la condivisione dei dati tra enti di ricerca e un software in grado di manipolare dati clinici di qualsiasi natura (LHPBuilder).
Lo spazio creato è stato poi arricchito da una estesa collezione di dati biomeccanici coerenti ottenuti da studi su 2 cadaveri e da registrazioni del movimento su donatori scelti in base a criteri di similitudine anatomica. Le analisi a cui sono stati sottoposti i due cadaveri e i donatori sono:
1. Test diagnostici (CT, e RMI) per identificare la posizione e la morfologia dei segmenti scheletrici e dei fasci muscolari.
2. Dissezione per conoscere la posizione delle aree d’inserzione e la direzione delle fibre muscolari. (su cadavere)
3. Sono stati eseguiti dei test meccanici sulle ossa. (su cadavere)
4. Registrazione del movimento completo di registrazioni con pedane dinamometriche e esami elettro-miografici.( su donatore)
Il lavoro di questa tesi è diviso in due parti: inizialmente è stata validata una tecnica di identificazione del modello muscolare basata sulla conoscenza della sola anatomia scheletrica. La seconda parte della tesi ha avuto come scopo l’implementazione di un metodo, inizialmente proposto da Van der Helm [5] sul sistema muscolare dell’arto superiore, per la discretizzazione del sistema muscolare su basi anatomo-funzionali.
Più nel dettaglio, nella prima parte del lavoro è stato eseguita una validazione anatomica su un metodo sviluppato precedentemente nel Laboratorio di tecnologia medica per definire i parametri geometrici di modelli muscolo-scheletrici degli arti inferiori. Il metodo sviluppato consiste nella localizzazione di un numero minimo di posizioni anatomicamente rilevanti sullo scheletro.
Questi punti, o landmark anatomici, sono poi utilizzati come obiettivo per la registrazione affine di atlanti anatomici generali[6], che contengono tutti i punti necessari per l’identificazione di un modello muscolo-scheletrico. Durante in progetto (LHDL) il modello così generato per uno dei due cadaveri è stato registrato spazialmente con i dati da dissezione In questa tesi è stata valutata la correttezza anatomica attraverso il confronto tra le posizioni dei centroidi delle aree d’inserzione muscolare predette nel modello e quelle misurate durante la dissezione.
La seconda e più corposa parte del lavoro ha previsto lo sviluppo di un metodo per la definizione del numero di linee di azione con cui modellare i muscoli degli arti inferiori su basi anatomo-funzionali. È stato ipotizzato che 200 linee d’azione fossero sufficienti a descrivere il comportamento meccanico del muscolo. È stato sviluppato un metodo automatico per la discretizzazione dei muscoli dell’arto inferiore in un numero arbitrario di linee d’azione.
In seguito sono stati sviluppati due criteri di convergenza calcolato basati sul momento che il muscolo è in grado di produrre al centro articolare (1° criterio) su cui agisce e rispetto al centroide dell’area di attacco (2° criterio).
Fissata una soglia di errore (5%), è stato confrontato il valore del momento che il muscolo esercita per 200 fibre con i valori dei momenti ottenuti con un numero di fibre muscolari crescenti. Quando la differenza fra questi due momenti era inferiore al valore soglia (5%) il criterio era verificato. Il calcolo, inizialmente fatto in un’unica posizione di riferimento, è stato esteso esplorando diverse posture dello scheletro. Sono stati definiti degli intervalli entro cui far muovere il modello muscolo-scheletrico e sono stati applicati i due criteri di convergenza nelle varie pose articolari. Il numero di fibre considerato sufficiente per discretizzare il muscolo per avere un’accuratezza del 5% corrisponde al valore massimo fra il numero minimo di fibre calcolato nelle pose articolari esaminate.
Da ultimo in questa seconda parte della tesi è stato condotta un’analisi della capacità dei muscoli modellati di produrre momenti articolari. Il modello muscolo-scheletrico proposto in questo elaborato schematizza le linee d’azione muscolari come delle linee rette, seguendo procedure normalmente impiegate in questo campo, spesso trascurando le complesse giaciture del muscolo. Nasce l’esigenza di comprendere di quanto il braccio articolare nel modello si discosti dal reale braccio articolare del muscolo. Per tale motivo è stato calcolato, per ogni muscolo, il valore medio del braccio articolare ottenuto da dissezione anatomica e confrontato con il valore medio del braccio articolare calcolato dal modello.
La validazione anatomica del metodo presentato come Virtual Palpation ha evidenziato che il 90% dei centroidi misurati sono identificati nel modello con errori inferiori a 5 cm. L’errore massimo è stato di 19 cm per il muscolo Flexor Digitorum Longus.
Il metodo inizialmente proposto da Van der Helm [5], su cui si è basato lo sviluppo del metodo di discretizzazione muscolare presentato in questa tesi, ha ottenuto che l’effetto meccanico di ogni muscolo è modellabile con al più 6 fibre. I risultati ottenuti sono in linea con i risultati di Van der Helm e in particolare il primo criterio di convergenza ha condotto ad un numero massimo di fibre necessarie di 7 ed un valore medio di 2. Rispetto al lavoro di riferimento il 96% dei muscoli vengono discretizzati con un numero di fibre inferiore a 6. Il secondo criterio, più sensibile, ha invece condotto ad un numero massimo di fibre necessarie di 18 ed un valore medio di 6. Rispetto al lavoro di riferimento il 67% dei muscoli vengono discretizzati con un numero di fibre inferiore a 6.
Per quanto riguardi i risultati sulla stima dei bracci articolari si è ottenuto che i bracci articolari predetti dal modello sono in media sottostimati del 15%.
Dall’analisi dei risultati sulla vadilazione anatomica si deduce che il metodo sviluppato dalla Virtual Palpation ha un’accuratezza comparabile con gli errori commessi mediamente dagli anatomisti nell’individuazione del centroide di aree muscolari di grandi dimensioni. Tuttavia in alcuni muscoli l’errore commesso è superiore ai 5 cm e fino a 19 cm. In questi pochi muscoli l’errore, molto rilevante, è da ricondursi all’eccesiva semplificazione adottata nel modello di muscoli con architettura particolarmente complessa (per esempio l’ileo-psoas).
Per concludere, lo strumento sviluppato per la registrazione di atlanti anatomici sulla basa di pochi punti identificati sull’anatomia di un singolo soggetto potenzialmente può essere uno strumento utile per la definizione modelli muscolo-scheletrici per la pratica clinica. Come spesso succede in ambito clinico e in particolare per i pazienti oncologici dell’Istituto Ortopedico Rizzoli, non sono sempre disponibili le immagini MRI del paziente mentre lo sono le immagini CT in cui i muscoli sono scarsamente visibili.
Il metodo di discretizzazione funzionale sviluppato durante il lavoro di tesi ha proposto un metodo di modellazione capace di controllare la robustezza del modello dal punto di vista funzionale. Attraverso 2 criteri diversi i risultati ottenuti sono coerenti con studi precedenti effettuati su diversi distretti anatomici [5].
La scelta del 1° o del 2° criterio non è indifferente perché conduce a discretizzazioni diverse. Se lo scopo del lavoro è determinare le forze che fanno equilibrio ai giunti articolari probabilmente il criterio più adatto è il primo che dicretizza il muscolo con un numero inferiore di fibre. In questo caso infatti il criterio di convergenza è stabilito proprio rispetto al momento che il muscolo opera sul giunto articolare. Se, invece, lo scopo del lavoro è differente, per esempio determinare le sollecitazioni che agiscono sulle ossa, è possibile che sia necessario un metodo più sensibile che discretizza il muscolo con un numero maggiore di fibre. L’ultima parte dello studio ha evidenziato la generale tendenza alla sottostima dei bracci articolari predetti dal modello. Questo significa che nel predire il comportamento meccanico del muscolo sull’osso tale modello molto probabilmente produrrà una sovrastima del lavoro che il muscolo compie sull’osso stesso. Per superare questo limite è necessario adottare dei metodi più sofisticati nella definizione della giacitura muscolare. Tra i possibili metodi in via di sviluppo ve ne sono alcuni, più semplici, che schematizzano i muscoli con delle spezzate; altri utilizzano delle superfici parametriche attorno alle quali avvolgere i muscoli altri più sofisticati modellano i muscoli con la tecnica degli elementi finiti.
Evidenziati gli aspetti delle tecniche di modellazione del sistema muscolare dell’arto inferiore affrontati durante questa tesi e supposti rilevanti, prima di poter derivare indicazioni sulla scelta della tecnica di modellazione sono necessari studi comparativi addizionali che permettano di quantificare gli effetti delle diverse scelte sulle predizioni del modello; siano queste forze muscolari o deformazioni scheletriche, come per i modelli sviluppati al LTM.
Il metodo messo a punto in questa tesi presenta incoraggianti risultati per la modellazione anatomo-funzionale di discretizzazione del muscolo che potranno contribuire allo sviluppo di modelli predittivi per uso clinico e ha evidenziato alcuni limiti delle tecniche correnti.