Modello muscolo-scheletrico dinamico per la simulazione del movimento della caviglia fisiologica e protesizzata

This work consisted in a musculoskeletal dynamic model of the foot to evaluate the load that acts on the ankle joint and on the ligaments both in a physiological condition and after prosthetic implantation. The ankle joint complex was modeled with a software that enables make dynamic simulations including bones, muscles and ligaments considered important and functional after an analysis of the literature. The muscle forces, ligament forces and contact forces between tibia and talus were analyzed under load and without load, imposing different muscle activations. It was thus verified that the model responded appropriately to activation of the actuators that replicated specific muscles, producing the motion of plantarflexion, dorsiflexion, pronation, supination as expected and described in the literature. Thereafter, a relatively innovative ankle prosthesis model with three components was inserted in the musculoskeletal model to make a comparison of intra-articular and ligament forces between the physiological and prosthetic ankle. The prosthesis was inserted with aligned components as the theoretical indication for the implantation. Then the components were misaligned to evaluate how this affected the amplitude of the motion and the ligament forces. The movement of the mobile bearing was considered as an indicator of the proper functioning of the prosthesis. Due to the effect of ligament balancing, the mobile bearing moved in a anteroposterior and mediolateral direction. These movements had to be kept within certain limits to ensure the stability and functionality of the prosthesis. The results show that the model responds as expected and in agreement with what was found in the literature. Thus, the ligament forces resulted below the breaking forces and yield strength evaluated by other authors in different load conditions. In conclusion, the model allowed to simulate the motion of the ankle joint complex by controlling important muscles of the ankle both under load and without load and allowed to consider the forces that act on the articular surfaces and the ligaments. After the prosthetic implantation, some important parameters were evaluated to compare the variations caused by prosthesis in terms of quality and quantity.

Questo lavoro è stato effettuato al fine di realizzare un modello muscolo-scheletrico dinamico del piede per poter valutare i carichiagenti sull’articolazione di caviglia e sui legamenti sia in condizioni fisiologiche sia in presenza di protesi articolare. Utilizzando un software che permette la simulazione dinamica,è stato modellizzato il complesso gamba-piede comprensivo di ossa, muscoli e legamenti ritenuti più importanti e funzionalia seguito di un'analisi della letteratura. Sono state analizzate le forze muscolari, le forze sviluppate dai legamenti e le forze di contatto tra tibia e astragalo nelle diverse condizioni di carico e di sollevamento, imponendo diverse condizioni di attivazione muscolare. Si è potuto in questo modo verificare che il modello risponde in modo adeguato all'attivazione degli attuatori corrispondenti a specifici muscoli, producendo movimenti di plantarflessione, dorsiflessione, pronazione e supinazione secondo quanto atteso e descritto in letteratura. Successivamente si è inserito il modello diuna protesi di caviglia relativamente innovativa, a tre componenti,all'interno del modello muscoloscheletrico ai fini di effettuare un confronto in termini di forze intra-articolari e legamentose tra la caviglia fisiologica e la caviglia protesica. La protesi è stata inserita posizionando le componenti allineate secondo le indicazioni teoriche di impianto, e successivamente si sono simulate condizioni di disallineamento, ai fini di valutare come questo influisca sull’ampiezza del movimento e sulle forze legamentose sviluppate. Come indicatore del buon funzionamento della protesi si è considerato lo spostamento del componente meniscale della protesi, il quale, per effetto del bilanciamento legamentoso, subisce spostamenti anteroposteriori e mediolaterali. Questi spostamenti devono rimanere contenuti entro certi limiti per garantire la stabilità e la funzionalità della protesi. I risultati ottenuti mostrano che il modello risponde come atteso ein accordo con quanto trovato in letteratura. Inoltre le forze sviluppate dai legamenti risultano ampiamente inferiori alle forze di rottura e di snervamento valutate da altri autori in diverse condizioni di carico. In conclusione, il modello sviluppato permette di simulare i movimenti articolari del sistema gamba-piede attraverso il controllo dei principali muscoli della caviglia sia in carico che in sollevamento, e permette di valutare le forze che si sviluppano tra le superfici articolari e sui legamenti. In seguito all’inserimento della protesi si sono potuti valutare alcuni parametri significativi ai fini di poter confrontare in termini quantitativi e qualitativi le variazioni dovute all'inserimento della protesi.