Simulazione dinamica del movimento degli arti inferiori durante la salita su scala per lo studio della richiesta muscolare ed energetica in soggetti sani

Climbing stairs is an everyday activity. Studies related to kinematic and kinetic data have proven, over the years, that this kind of motion leads to considerable lower-limb muscular engagement. However, little is known nowadays about how muscles cooperate to perform the motor task and therefore the scope of this study is a biomechanical evaluation of stair ascent. For this purpose, stair-climbing computer simulations of 37 healthy subjects were created in SimWise4D™ by realizing a lower-limb musculoskeletal model, actuated by the kinematics. Length variation, length variation velocity and body segments mechanical energy analysis were performed on these. Just studying 5 people, a static optimization technique was then adopted in order to estimate muscle forces and associated power and work. From the results, variations in length were quantified within the range from 1 to 5.5 cm, with lengthening velocity in between -0.3 and 0.3 m/s; gluteus maximus and vasti muscles were found to play a major role during the first half of stance phase of the motor task, whilst soleus, tibialis posterior and gastrocnemius in the second half, with forces from 500N to 1200N; mechanical energy levels proved that the largest contribution came from potential energy variations.

La salita delle scale è un’attività frequente nella vita quotidiana. Nel corso degli anni, studi relativi alla cinematica e alla dinamica hanno dimostrato come tale gesto motorio impegni la muscolatura degli arti inferiori in modo notevole. Tuttavia, un’analisi dettagliata sul ruolo svolto dai muscoli è oggi ancora incognita e, pertanto, questo lavoro si è proposto di effettuare una caratterizzazione del task motorio. A tale scopo, realizzando un modello muscoloscheletrico d’arti inferiori azionato dalla cinematica, il cammino su scala di 37 soggetti sani è stato riprodotto in SimWise4D™, valutando sulle simulazioni la variazione di lunghezza dei complessi muscolo-tendinei e relativa velocità e l’energia meccanica dei segmenti corporei. Limitando poi l’analisi a 5 individui è stato seguito un approccio di ottimizzazione statica per stimare le forze muscolari e potenza e lavoro associati. Dai risultati sono emerse variazioni di lunghezza nel range (1 ÷ 5.5) cm, con velocità di allungamento tra -0.3 e 0.3 m/s; i muscoli gluteo grande e vasti femorali sono risultati i principali artefici dell’atto motorio nella prima metà della stance, mentre soleo, tibiale posteriore e gastrocnemio nella seconda metà, e le forze hanno assunto valori tra 500N e 1200 N; i livelli di energia meccanica hanno mostrato come il maggior contributo sia dato dalla variazione di energia potenziale.