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PREMESSA SULLA BIOMECCANICA DEL GINOCCHIO

A cura del Prof. Giancarlo Pellis

Realizzazione di un ausilio per l’anziano e lo sportivo nato dallo studio sperimentale

Presentazione
Il lavoro descrive la realizzazione dello snodo a centro di rotazione variabile quale organo meccanico che riproduce la fisiologica movimentazione roto-traslatoria del ginocchio ed è applicabile a dispositivi ortopedici indirizzati alla fisioterapia del ginocchio.
I risultati fino ad ora registrati ci permettono di affermare che i dispositivi a centro di rotazione variabile KTJ creano condizioni particolarmente favorevoli non solo per la ripresa della deambulazione (tutori), soprattutto a persone anziane con patologie degenerative, ma anche nella riduzione dei tempi di recupero nel post-operatorio (applicazione sulle macchine per la ginnastica passiva).
I risultati degli studi condotti possono essere considerati anche come risposta a quanto scritto da Insall (86) in merito alla “scarsa significatività degli studi sulla cinematica del ginocchio basati su una localizzazione anatomica del centro di istantanea rotazione”.

Premessa
L’idea è nata dalla considerazione che alcuni atleti durante utilizzo della “leg extension” (Fig. 1), quale attrezzo sportivo per il potenziamento della muscolature estensoria dell’arto inferiore, lamentavano dolore al ginocchio.

Volendo risalire alle cause di tale dolore, inizialmente è stata ipotizzata la possibile incompatibilità tra il moto del ginocchio quale articolazione interessata nell’esercizio e la cinematica del braccio mobile della macchina che viene a svilupparsi attorno ad un centro fisso.

L’analisi bibliografica
In quest’ottica, inizialmente, è stata effettuata una puntigliosa analisi bibliografia che confermava che il ginocchio ha un moto combinato tra rotazione e scivolamento. In particolare la maggior parte degli autori consultati (Smidt, 1973; Fumagalli et al.,1977; Marinozzi end Pappalardo, 1977; Kapandji, 1977; Tittel, 1979; Fleischmann and Line, 1981; Nissel, 1985; Insall, 1986, Draganich et al., 1987; Yamaguchi and Zajac, 1989; Melegatti, 1997; Steinbrück, 1997) concordavano che per i primi 25-30 gradi di flessione i condili femorali (parte distale del femore) rotolano sui piatti tibiali (parte prossimale della tibia); dai 25-30 gradi in poi, i condili femorali combinano il moto rotatorio con quello traslatorio (di scivolamento) che all’aumentare della flessione, diventa sempre più importante (Fig. 2).
Tale dinamica è confermata dalla conformazione anatomica delle superfici articolari che costituiscono il ginocchio: i condili femorali presentano una superficie tondeggiante con un raggio di curvatura piuttosto ridotto ma non uniforme, tanto è vero che il loro profilo è molto simile a quello di una spirale; i piatti tibiali, raggio di curvatura molto più ampio di quello dei condili femorali.

Dall’anatomia sappiamo anche che lo sviluppo in lunghezza di questi ultimi condili è quasi due volte maggiore della lunghezza della superficie dei piatti tibiale; ciò impedisce la possibilità di un puro rotolamento tra i due capi articolari, che viene limitato per i primi 25-30 gradi di flessione. Nei gradi successivi, il rotolamento viene combinato con una fase di scivolamento che diventa sempre più progressivo.
I legamenti crociati trattengono i capi articolari assicurando il contatto e la stabilità antero-posteriore del ginocchio per tutto l’arco del movimento che propone un moto roto-traslatorio.
Funzionalmente tale sistema garantisce che nella fase di appoggio deambulatorio (azione che nel corso della vita viene riproposta per un innumerevole cicli di volte), durante la quale il ginocchio raggiunge una flessione di 20-25°, vi sia solamente un moto rotatorio che meccanicamente preserva le superfici articolari dall’usura di fregamento.
Più precisamente in tale azione motoria, ad ogni punto del condilo femorale corrisponde un punto sul piatto tibiale e le forze meccaniche, sviluppate dal gravare del peso del corpo, vengono trasmesse per compressione, senza provocare usura. La compressione, infatti, non prevede sfregamento dato che il carico viene trasmesso sempre sugli stessi punti dei contigui capi articolari a contatto ed è completamente indipendente dal gravare del peso corporeo al quale viene sottoposto.
Peraltro in tutta la sfera di movimenti al di fuori della pura fase di appoggio deambulatorio (corsa lenta, corsa veloce, salto, pedalata, spinte con accosciata, ricadute, piegamenti – es. nello sci-, pedalata, ecc.) l’azione dello sfregamento avviene in maniera sempre direttamente proporzionale al grado di piegamento raggiunto e l’usura è proporzionale al peso del soggetto.

Il centro di rotazione
Dall’analisi sulla dinamica roto-traslatoria sopra riportata, quindi, si deduce che nella meccanica di flesso-estensione il ginocchio dalla massima estensione ai 25° di flessione il centro di rotazione rimane posizionato in un punto fisso che prende il nome di centro iniziale di rotazione; dopo i 25-30 gradi di flessione il centro di rotazione tende a spostarsi in maniera sempre più rilevante verso le superfici articolari e prende il nome di centro istantaneo di rotazione (Fig. 3).


Si può, quindi, ipotizzare che la variazione del centro di rotazione, determina una variazione di lunghezza ginocchio-malleolo. Infatti la distanza Ra tra il centro iniziale di rotazione ed un punto antropometrico individuato sulla gamba (malleolo) è maggiore di Rb quale distanza tra il centro istantaneo di rotazione individuato alla massima flessione e lo stesso punto malleolare (Fig. 4).



Incompatibilità cinematica

Se il ginocchio viene reso solidale ad un dispositivo meccanico che ruota attorno ad un centro fisso, la differenza che si viene a creare tra la traiettoria del ginocchio e quella del dispositivo meccanico, produce un allontanamento tra i capi articolari stessi in quanto il sistema meccanico è più “forte” di quello organico e trascina i capi articolari sulla propria traiettoria che non cambia la sua ampiezza.
Questo è quanto avviene, durante un esercizio di potenziamento della muscolatura estensoria dell’arto inferiore alla leg extension quando la gamba viene resa solidale al braccio mobile della macchina.

La leg extension
Successivamente all’analisi bibliografica è stata effettuata quella cinematica della leg extension durante un esercizio.
Tale attrezzo si presenta come una sedia piuttosto alta cui è collegato, lateralmente, un braccio mobile di carico che corre verticalmente lungo l'asse longitudinale della gamba e ruota attorno ad un centro fisso il cui asse di rotazione deve essere coassiale all'asse orizzontale che passa trasversalmente ai condili femorali.
Il braccio mobile nella sua parte distale è collegato ad un carico P che deve essere vinto nell’estensione della gamba sulla coscia tramite la contrazione del muscolo quadricipite (Fig. 5).
Ad estensione completata, la gamba si trova in linea con la coscia che resta in appoggio sulla seduta dell’attrezzo mentre la gamba è senza alcun appoggio.
Per una dettagliata analisi meccanica sulla distribuzione delle forze che agiscono nello specifico esercizio si possono quindi evidenziare due situazioni: una statica ed una dinamica.
A tale scopo la gamba propriamente detta è stata paragonata ad una trave a sbalzo, incernierata su un carrello posto sul piano articolare del ginocchio –piano verticale tangente al punto di contatto tra il piatto tibiale ed i condili femorali- e trattenuto da una struttura elastica (legamenti crociati); sono stati quindi costruiti i diagrammi di taglio e di flessione (per taglio si intende una forza che agisce sul piano verticale, che ha un'intensità pari al carico applicato in tutti i punti della trave e per flessione si intende il prodotto carico/braccio che viene a determinarsi su ogni punto della trave).
Nell’analisi statica i diagrammi di taglio e flessione evidenziano un preciso equilibrio tra i carichi che agiscono sulla trave (fig. 5).



Nell’analisi dinamica, invece, l’inerzia delle masse in movimento fa nascere delle sollecitazioni di “rimbalzo” che si scaricano sui legamenti crociati.
Nell'estensione, infatti, l'energia cinetica acquisita dal braccio mobile (Fig. 6) tende a far proseguire il sovraccarico contro la gravità. Ad estensione completa, con la contrazione massima del quadricipite, il punto di inserzione di quest'ultimo sulla tibia (tuberosità tibiale situata a qualche centimetro del piano articolare) diventa il fulcro del sistema attorno al quale la parte distale della gamba ed il piede, trascinati dalla forza di inerzia dovuta al movimento, prosegue la sua corsa sul piano verticale; a tale “innalzamento” si contrappone un abbassamento della porzione prossimale (testa della tibia) che mette in trazione il legamento crociato posteriore.
Quando il carico raggiunge il punto morto superiore, trasforma “innalzamento” in energia potenziale che, ritornando a gravare sulla gamba crea una condizione di “basculamento”, facendo abbassare la parte distale della gamba e del piede al quale si contrappone il sollevamento della porzione prossimale della tibia; tale azione impulsiva mette in trazione il legamento crociato anteriore.

Il rimbalzo
L’alternanza di trazione sui legamenti crociati è analoga ad un “rimbalzo”, che può essere evidenziato con la chiusura anomala del diagramma di flessione (Fig. 6) e crea una condizione microtraumatica che su un ginocchio sano può essere avvertita casualmente, mentre su un ginocchio traumatizzato, può provocare effetti particolarmente sfavorevoli e peggiorativi.
È al fenomeno del “rimbalzo” che è stata attribuita la causa del dolore lamentato da alcuni atleti come descritto inizialmente.

Lo scarico del rimbalzo
Per evitare che le sollecitazioni di “rimbalzo” si scarichino all’interno del ginocchio, è indispensabile ancorare tutto l’arto inferiore alla macchina (la coscia alla seduta e la gamba al braccio mobile) affinché tali sollecitazione “dannose” vengano assorbite dall’organo meccanico.
Questa operazione, però, non è possibile con le attuali leg extension in quanto comporta una ulteriore problematica collegata alla differenza di traiettoria macchina/ginocchio, già messa in luce dall’analisi bibliografica.
Il braccio mobile si muove, infatti, unicamente con moto rotatorio attorno ad un centro fisso, mentre il ginocchio dopo i 30 gradi compie un moto a spirale rientrante.
Ciò comporta che se la gamba viene ancorata al braccio mobile, quest'ultimo trascinerà il ginocchio sulla sua traiettoria a centro fisso; con la gamba ancorata in estensione, durante la flessione verrà allontanata dalla sua radice con grande sofferenza dei legamenti (Fig. 7);

con la gamba ancorata in flessione, durante l’estensione si creerà una forte compressione tra i capi articolari con grave sofferenza delle cartilagini e dei menischi (Fig. 8)

La risoluzione della problematica, quindi, deve necessariamente prevedere che la leg extension proponga una movimentazione roto-traslatoria del braccio mobile, analoga a quella del ginocchio affinchè si possa ancorare tutto l’arto inferiore alla macchina (la coscia alla seduta e la gamba al braccio mobile) senza provocare situazioni di allontanamento tra i capi articolari ad allo stesso tempo scaricare il “rimbalzo” sulla struttura della macchina (Fig. 9).

Bibliografia
- Draganich L.F., Andriacchi T. P., Andersson G. B (1987), Interaction between intrinsic knee mechanics and the knee extensor mechanism, J. Orthop. Res. 5:539-547.
- Fleischmann J, Line R (1981) Anatomia umana applicata all'educazione fisica ed allo sport, vol.1, S.S.S., Roma, 303.
- Fumagalli Z, Fusaroli P, Lambertini G, Nesci E, Pasqualino A (1977) Anatomia umana, vol.1, Piccin ed., Padova, vol. 1, pp 191-195.
- Inall J.N. (1986) Chirurgia del ginocchio, Verduci editore, pp. 11, 12-13, 25
- Kapandji I A (1977) Fisiologia articolare, Marrapese Ed. Demi s.r.l., Roma, 90.
- Marinozzi G, Pappalardo S (1977) L’articolazione del ginocchio, problemi morfologici e funzionali, Alcmeone,Istituto Superiore di Educazione Fisica, Roma, n.1, pp 25-30.
- Melegatti G (1997) Biomeccanica del legamento crociato anteriore, Alea Ed., Milano, vol.2, 22-24.
- Nietert M (1976) Bestimmung der anatomischen Kniegelenksachse im Hinblick auf die Versorgung Versehrter und Unterschenkelprothesen und Stùtzapparaten, Orthopàdie-Technik 27 198-201.
- Nissell R (1985) Mechanics of the knee, Acta Ortop. Scand. 56 (supp.216): 5-41
- Smidt G.L. (1973) Biomechanical analysis of knee flexion and extension, J. Biomech., 6:79-92.
- Steinbrück K, (1997) Rehabilitation des Kniegelenkes nach Kreuzband - Operationen, Orthopädie-Technik, 725-735.
- Tittel K (1979) Anatomia funzionale dell'uomo, Edi Ermes, Milano, 272.
- Yamaguchi G.T., Zajac F.E. (1989) A planar model of the knee joint to characterize the knee-extensor mechanism, J. Biomech.,22:1-10.

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