Sviluppo di un modello muscolo-scheletrico di caviglia per la simulazione dinamica del cammino

The foot-ankle complex plays an important role in preserving the stability of walking, despite external disturbances and irregular ground. Analysing ankle movement during gait can be very useful in order to evaluate risk factors of pathologies, to study possible surgical interventions and to design the best prosthesis of the original joint. Since traditional gait analysis cannot allow the evaluation of internal stress in bones and ligaments, muscle-skeletal models are used to reproduce in a simplify way human components and to simulate their movement. Dissimilarly to the models present in literature, that consider inferior limbs for the gait analysis, this work of thesis focuses on the reproduction of the movement using a detailed muscle-skeletal model of foot and ankle. Starting from experimental data, kinematics variables of linear and angular velocity are assigned to the tibia, while other movements are carried out thanks to the dynamic activation of dorsiflexor muscles, like tibialis anterior, fibularis anterior, extensor digitorum longus and extensor hallucis longus, and plantarflexor muscles, like soleus, gastrocnemius, flexor digitorum longus and flexors hallucis longus. The output variables of the simulator that are considered and analyzed are the plantarflexion/dorsiflexion and inversion/eversion angles, the change in height of the longitudinal plantar arcs and in length of the plantar aponeurosis, the tension of principal ligaments and the contact forces between internal components and the ground. Finally, two models have been simulated with different stiffness of the plantar fascia in order to analyse the sensibility of the model with respect to this variable. These models show good results in gait simulation, both qualitatively and quantitatively. The less stiff model has a greater variation in height of the plantar arc and in length of the aponeurosis. Moreover, a larger mobility of the foot joints is present, highlighted by a greater contribution of the forefoot-talus angle to the total flexion and a more intense solicitation of the ligaments of the subtalar joint.

Il complesso piede-caviglia svolge un ruolo fondamentale nel mantenimento della stabilità del cammino, nonostante i disturbi esterni e il terreno irregolare. L’analisi del movimento della caviglia durante il ciclo del passo risulta essere molto utile al fine di valutare i fattori di rischio per alcune patologie, studiare le possibili soluzioni chirurgiche e progettare le migliori protesi sostitutive dell’articolazione originale. Poiché l’analisi tradizionale del cammino non permette la valutazione degli sforzi interni di ossa e legamenti, vengono utilizzati anche modelli muscolo-scheletrici, che riproducono in modo semplificato i componenti del corpo e ne simulano il movimento. A differenza dei modelli presenti in letteratura, che si concentrano sull’analisi del cammino degli arti inferiori nel complesso, questo lavoro di tesi si focalizza sulla riproduzione del movimento tramite un modello muscolo-scheletrico dettagliato di caviglia e piede. Partendo da dati sperimentali, sono state assegnate le variabili cinematiche di velocità lineare e angolare alla tibia, mentre i restanti movimenti sono svolti grazie all’attivazione dinamica dei muscoli flessori dorsali, come tibiale anteriore, peroneo anteriore, estensore lungo delle dita e estensore lungo dell’alluce, e dei muscoli flessori plantari, ovvero soleo, gastrocnemio, flessore lungo delle dita e flessore lungo dell’alluce. Come uscita del modello simulato vengono considerati e analizzati gli angoli di plantarflessione/dorsiflessione e inversione/eversione, la variazione dell’altezza delle arcate plantari longitudinali e della lunghezza delle aponeurosi plantari, la tensione dei legamenti principali e le forze di contatto tra componenti interni e con il terreno. Infine, sono stati confrontati due modelli con rigidezza della fascia plantare differente per analizzare la sensibilità del modello rispetto ad essa. Entrambi i modelli mostrano un ottimo risultato nella riproduzione del cammino, sia qualitativamente che quantitativamente. Il modello meno rigido riporta una variazione maggiore dell’altezza dell’arcata plantare e della lunghezza dell’aponeurosi. Inoltre, è presente una maggiore mobilità delle articolazioni del piede, evidenziata da un maggiore contributo dell’angolo tra avampiede e astragalo nella flessione totale e una sollecitazione più intensa dei legamenti dell’articolazione sotto-astragalica.