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LA CONFERMA DEL MOTO ROTO-TRASLATORIO DEL GINOCCHIO

A cura del Prof. Giancarlo Pellis

Prendendo spunto da quanto scritto da Insall (86) sulla “scarsa significatività degli studi sulla cinematica del ginocchio basati su una localizzazione anatomica del centro di istantanea rotazione” il moto del ginocchio è stato analizzato da un punto di vista sperimentale al fine di realizzare un dispositivo meccanico che rispetti la fisiologica movimentazione roto-traslatoria.
Lo scopo di tale studio è stato quello di verificare e dare un’entità numerica alla variazione della distanza tra il centro di rotazione localizzato sui condili femorali e le superfici articolari ai vari gradi di flessione (vedi Biomeccanica del Ginocchio – par. “Il centro di rotazione”).
Pur con la consapevolezza che il ginocchio compie anche un moto di rotazione automatica longitudinale della tibia, determinato dalla diversa conformazione dei comparti (interno ed esterno) del ginocchio stesso, inizialmente è stata tralasciata la tridimensionalità del movimento e tenuto conto di un unico centro iniziale di rotazione passante per i condili femorali attraversato da un asse “C” attorno al quale si sviluppa il moto articolare.
Per tale verifica è stato impostato un confronto che permetteva di sovrapporre la traiettoria circolare di uno strumento che utilizzava un giunto a centro fisso, con quella percorsa dal ginocchio.

La realizzazione dello strumento per la valutazione

A tale scopo è stato messo a punto uno strumento specifico, analogo ad una leg extension, munito di un doppio dispositivo di lettura, per poter effettuare contemporaneamente una lettura angolare (encoder angolare – Fig. 1.1) sul grado di flessione del ginocchio ed una lineare (encoder lineare Fig. 1.1) al fine di determinare l’eventuale “variazione di lunghezza” della gamba.
In particolare la macchina è stata progettata con la possibilità di rendere solidale la coscia alla seduta della macchina mentre la gamba veniva fissata, tramite un riscontro, libero di muoversi linearmente lungo il braccio mobile della leg extension, all’altezza del malleolo quale riferimento antropometrico. Il braccio mobile posto all’altezza del ginocchio viene attivato dalla muscolatura estensoria dell’arto inferiore, è stato reso libero di ruotare attorno al suo perno meccanico (moto rotatorio) ed allo stesso tempo permetteva alla gamba, tramite l’aggancio al riscontro mobile, di effettuare lo scivolamento lineare verso la radice dell’arto stesso (moto traslatorio).
Ambedue gli strumenti di misura sono stati collegati con un computer per l’archiviazione e l’elaborazione contemporanea delle misure ricavate.
La macchina, è stata quindi dotata di un sedile mobile comandato da un motore passo-passo collegato al computer capace di spostare antero-posteriormente, con una tolleranza di 0,1mm, la seduta stessa.
Particolare cura è stata posta nel “sistema di appoggio” (Fig. 1.1) del ginocchio strutturato in due appoggi laterali, inclinati e convergenti verso il basso, dei quali quello laterale poteva scorrere trasversalmente ed avvicinarsi a quello mediale.

Tale sistema è stato così strutturato per un doppio motivo:

  1. per far sì che il contatto tra zona poplitea e la macchina avvenga su parti "rigide" dei condili femorali e non su quelle “molli” muscolari (quale appoggio della parte posteriore della coscia sulla seduta della macchina stessa), al fine di non inficiare la misurazione lineare con il rigonfiamento della massa muscolare ischio-crurale dovuto inevitabilmente all'accorciamento del comparto posteriore della coscia durante la flessione;
  2. per permettere di avvicinare o allontanare i due appoggi, per spostare verticalmente l’asse intercondiloideo del ginocchio per una maggior precisione dell’allineamento ginocchio/macchina.

L’allineamento macchina/ginocchio

La necessità di allineare l’asse “C” passante per il centro iniziale di rotazione del ginocchio con il centro di rotazione del braccio mobile della macchina di valutazione (Fig. 1.2) nasce dall’esigenza di determinare un preciso punto di “repere” dal quale far partire la valutazione quale asse “0°” e poterlo rintracciare qualora si voglia riproporre la valutazione stessa.

Rimarcando che il centro iniziale di rotazione del ginocchio rimane fisso per i primi 30° di flessione, si può ragionevolmente considerare che la traiettoria della gamba in questa frazione di movimento deve necessariamente essere un arco di circonferenza, analoga a quella della macchina che ruota attorno ad un unico perno meccanico. L’allineamento, quindi, può avvenire solo in forma sperimentale paragonando le due traiettorie circolari.

Ricerca sperimentale del centro iniziale di rotazione

L’allineamento macchina/ginocchio, quindi, viene effettuata facendo eseguire una flesso-estensione con un’ampiezza di 25-30° dopo aver fissato la coscia alla seduta dello strumento ed il piede (quale riferimento antropometrico) al risconto lineare posto sul braccio mobile (fig. 1.3).

Fig. 1.3

Se durante l’esecuzione di una flesso-estensione di circa 30° della gamba così collegata al braccio mobile della macchina non viene evidenziato alcun spostamento tramite l’encoder lineare, si può considerare che la gamba ha effettuato un arco di cerchio imperniato sul centro iniziale di rotazione e quest’ultimo coincide con il centro di rotazione del braccio mobile sul quale è stato posizionato il riscontro del piede. In questo caso, si può considerare che l’asse trasverso intercondiloideo (asse “C”) del ginocchio e quello passante per il perno di rotazione del braccio mobile risultano allineati o coassiali.
Se invece, nei primi 30° di flessione viene evidenziato uno spostamento del riscontro, si determina una condizione di non allineamento che viene trasformato in entità lineare ed elaborata dal computer che, tramite il motore, sposta la seduta in una nuova posizione trovando la coincidenza tra i due centri di rotazione.
In particolare, se la traiettoria della macchina è più stretta di quella della gamba, il ginocchio è arretrato e quindi deve essere avanzato. Se la traiettoria della macchina è più ampia di quella della gamba il ginocchio è avanzato; in questo caso deve essere retrocesso (Fig. 1.4 - Vedi esempio animato).

Fig. 1.4

Eventuali spostamenti verticali possono essere effettuati stringendo od allargando il “sistema di appoggio” .

La valutazione
Dopo la fase di allineamento, la valutazione viene eseguita facendo compiere alla gamba una flessione completa fino ai 135 gradi (goniometrici), raccogliendo durante l’arco di movimento i valori del rientro del piede ΔR a precise angolazioni di flessione (Fig. 1.5).

Fig. 1.5

Lo studio sperimentale
Dallo studio (Pellis G., Di Cosmo F., “Il moto roto-traslatorio: Studio sperimentale, analisi matematica, dispositivo ortopedico”, Calzetti Editore, Perugia, atti del XVIII edizione del Convegno di Traumatologia e Riabilitazione Sportiva, Bologna, 2009) effettuato su 83 soggetti sono stati ricavati i seguenti risultati raccolti nella tabella 1.

Angolo flex 0 30 45 90 135
Val medio D R 0 0 0,04 1,25 4,99
δ 0 0 0,005 0,22 0,35
tabella 1

Essi evidenziano che il raggio di rotazione del ginocchio si mantiene costante fino a circa 30 gradi di flessione, (traiettoria circolare). Per angoli superiori ai 30° il raggio di rotazione diminuisce del valore ΔR in maniera progressiva.
In altre parole il movimento di flessione del ginocchio dopo una prima traiettoria circolare associa uno scivolamento evidenziato dalla progressiva diminuzione della distanza tra il centro di rotazione e la superficie articolare tibiale.
Nello specifico, lo spostamento di un punto P, posto su un asse che taglia orizzontalmente i condili femorali ad una distanza nota dal centro iniziale di rotazione, può essere rappresentato per i primi gradi dall'equazione di una circonferenza

x2+y2=r2 = Ra2


e per il successivo range di movimento, sino ai 135° di flessione, dall'equazione

Δx =x - x1 = (Ra - Rb) cos ø

Tale analisi ha permesso di analizzare dettagliatamente il percorso del centro di rotazione in particolare nella sua fase di avvicinamento sull’asse x, corrispondente all’asse longitudinale della tibia, ai piani articolari.
Quanto sopra conferma sperimentalmente anche il moto roto-traslatorio del ginocchio.
Dai risultati sperimentali si è così potuto costruire un dispositivo meccanico, che consentisse di mimare il movimento fisiologico del ginocchio.

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