Studio delle forze tendinee in scalata con l'utilizzo di modello muscoloscheletrico di arto superiore in ambiente OpenSim

Climbing is a sport with an increasing number of practitioners, especially in gyms, where it is possible to do it even in the absence of outdoor rock walls. However, a repetitive and incorrect climbing method implies significant increases in injuries, especially chronic ones, which affect the upper limbs for 57.6%. In this context, it is becoming increasingly crucial that doctors and physiotherapists know precisely the easy to incur injuries. For this reason, the study of tendon forces, the most affected anatomical district, is relevant. This Thesis aims to study the forces created at the level of the tendons of the muscles most subjected to stress during the sport of climbing. To analyze the forces created inside the human body, biomechanical models are advantageous. They allow the study of the internal forces that develop following specific movements without carrying out invasive measurements. They are implemented via software; I have chosen to use OpenSim. Four right-handed female subjects were acquired who did not undergo operations on the right upper limb, using Motion Capture technologies to study the tendon forces. The data were obtained in the laboratory using the BTS Bioengineering Optoelectronic system present in the Divieti Laboratory of the Politecnico di Milano. Sixteen markers were placed on the subjects, and it has been located an additional one on the sensor. These were acquired statically and dynamically, with a respective duration of 10 and 20 seconds. In both types of acquisition, the subject was analyzed in three different positions: the beginning, the intermediate phase, and the end of the climbing act. During the dynamic acquisition, the subject was asked to apply the maximum force exerted on the sensor in a specific order: up, down, right, left, back and forth. The force data applied by the subjects were collected through the sensor. Once the data was obtained in the laboratory, we proceeded with a re-elaboration phase of the same using software. First, the exact trajectories of the markers positioned on the subjects were reconstructed using the SMART Tracker software. Later, the interpolation and filtering were performed using SMART Analyzer. Once the data were reprocessed, it was possible to study them using the OpenSim software. The first step was to perform the scaling of the model through the trajectories acquired statically in order to be able to work on a subject-specific model; the OpenSim software returns, in addition to the scaled model, the error with which this step was carried out. The possibility to estimate the error allows us to evaluate whether the scaled model is accurate: those examined in this Thesis all have an RMS error of fewer than 0.01 meters; therefore, they were found to be accurate. The second step was to carry out the Inverse Kinematics tool, through which the software is able to recreate the movement of the virtual markers from a dynamic trajectory so that it is best matched with that of the experimental markers, allowing to obtain the values of angles, angular velocities and angular accelerations of the different degrees of freedom of the model. In this case, this step is carried out by the software committing errors: always less than 0.02 meters for my subjects, if not in some cases due to stochastic errors in the markers' dynamic trajectories, so an accurate kinematic analysis resulted. We then analyze the inverse dynamics, a tool through which it is possible to obtain the forces and moments created in correspondence with the model's degrees of freedom when specific forces are applied. Thanks to the sensor's use, data on the forces applied by the subjects were collected to be included in the inverse dynamics. Finally, the work could have been further implemented through the use of the Computed Muscle Control (CMC) tool, but this procedure was not performed due to some problems encountered. Following this phase, it would also have been possible to carry out the Muscle Analysis, through which we would have been able to observe the forces to which the tendons of the muscles had been subjected during the movements performed. The muscles whose tendons are most often injured during climbing have been identified from the literature, and the tendon force resulting from the forces applied to the sensor would have been studied. As it was not possible to perform the calculation of muscle activations through the CMC, it was decided to study the torso's rotations following the application of forces and the degrees of freedom of the elbow joint: flexion-extension and pronation-supination. Furthermore, the extent of the forces applied in the directions indicated above were analyzed. From these analyzes, it was found that, although subjects were required to apply forces using only the right arm, a rotation around the three directions of the Cartesian axes was inevitable in order to apply a maximum force. Furthermore, the greater the amount of force applied, the greater the rotation of the torso in that direction. On the other hand, analyzing the results obtained regarding flexion-extension and pronation-supination of the elbow, it was possible to note that these movements' ranges remain below 20 ° for flexion-extension and around 30 ° for pronation-supination. From the force data, it was possible to see how, even if the subject was asked to apply the force in specific directions, all three components of the Cartesian axes were present for each force peak. The force components along the Cartesian axes have been calculated only for the maximum entity peaks, but from the graphs shown, it can be seen that it occurs for all the peaks. Another important piece of information that has been obtained by observing the graphs of the forces applied to the sensor is the fact that the force that has a greater entity is also that applied along the vertical axis (y-axis), in particular, the force maximum in this direction, i.e. the one applied downwards (negative y-axis). This has shown that applying force in this direction is more straightforward, as muscles trained every day are used, allowing for more force to be applied. Furthermore, in this direction, the force applied is more significant as the arm's weight is not opposed but supports the application of this force. In conclusion, this thesis work showed how during the application of forces, the arm's position affects this value and its direction, making it more complex to apply one that has a component in only one direction. Furthermore, suppose we consider the human upper limb during acquisitions as two rigid bodies connected one to each other by a hinge (elbow) and bound to the ground by two hinges (shoulder and hand). In that case, we see that the two degrees of freedom of the elbow (flexion-extension and pronation-supination) have ranges of motion that are consistent with information found in the literature.

L’arrampicata è uno sport che presenta un numero sempre maggiore di praticanti, soprattutto nelle palestre, dove è possibile svolgerlo anche in assenza di pareti da roccia all’aperto. Tuttavia, un ripetitivo e scorretto metodo di scalata implica notevoli aumenti di lesioni, soprattutto croniche, che interessano per il 57.6 % gli arti superiori. In questo contesto, diventa sempre più importante che medici e fisioterapisti conoscano con precisione le lesioni in cui è facile incorrere. Per questo motivo risulta rilevante lo studio delle forze tendinee, distretto anatomico maggiormente interessato. Lo scopo di questa Tesi è studiare le forze che si vanno a creare a livello dei tendini dei muscoli più sottoposti a sforzo durante lo sport di arrampicata. Per analizzare le forze che si creano internamente al corpo umano sono molto utili i modelli biomeccanici, in quanto permettono di studiare le forze interne che si vanno a sviluppare in seguito a determinati movimenti senza bisogno di svolgere misurazioni invasive. Essi vengono implementati tramite software, ho scelto di utilizzare OpenSim. Per poter studiare le forze tendinee sono stati acquisiti quattro soggetti destrimani di sesso femminile che non hanno subito operazioni all’arto superiore destro, tramite tecnologie di Motion Capture. I dati sono stati ottenuti in laboratorio tramite il sistema Optoelettronico BTS Bioengineering presente nel Laboratorio Divieti del Politecnico di Milano. Ai soggetti sono stati posizionati 16 marker ed un ulteriore è stato posizionato sul sensore. Questi sono stati acquisiti staticamente e dinamicamente, con una durata rispettiva di 10 e di 20 secondi. In entrambe le tipologie di acquisizione il soggetto è stato analizzato in tre posizioni differenti che rappresentano l’inizio, la fase intermedia e la fine dell’atto di arrampicata. Durante l’acquisizione dinamica è stato richiesto di applicare la massima forza esercitabile sul sensore secondo un determinato ordine: in alto, in basso, a destra, a sinistra, avanti e indietro. Tramite il sensore sono stati raccolti i dati di forza applicata dai soggetti. Una volta ottenuti i dati in laboratorio si è proceduto con una fase di rielaborazione degli stessi tramite software. Per primo si è proceduto alla ricostruzione delle traiettorie esatte dei marker posizionati sui soggetti utilizzando il software SMART Tracker. In seguito, sono stati svolti l’interpolazione ed il filtraggio tramite SMART Analyzer. Una volta che i dati sono stati rielaborati si è potuto studiarli tramite il software OpenSim. Primo step è stato svolgere la scalatura del modello tramite le traiettorie acquisite staticamente in modo da poter lavorare su un modello soggetto-specifico; il software OpenSim restituisce, oltre al modello scalato, l’errore con cui tale step è stato svolto. Ciò permette di valutare se il modello scalato sia accurato: quelli esaminati in questa Tesi presentano tutti un errore RMS inferiore ai 0.01 metri; quindi, sono risultati essere accurati. Secondo passaggio è stato svolgere lo strumento di Inverse Kinematics, tramite il quale il software è in grado di ricreare il movimento dei marker virtuali da una traiettoria dinamica, in modo che si abbini al meglio con quello dei marker sperimentali, permettendo di ottenere i valori di angoli, velocità angolari e accelerazioni angolari dei diversi gradi di libertà del modello. Anche in questo caso tale passaggio viene svolto dal software commettendo degli errori: sempre inferiori a 0.02 metri per i miei soggetti, se non in alcuni casi dovuti a errori stocastici nelle traiettorie dinamiche dei marker, quindi è risultata un’accurata analisi cinematica. Si è quindi proceduto nell’analisi della dinamica inversa, strumento tramite il quale è possibile ottenere le forze e i momenti che si creano in corrispondenza dei gradi di libertà del modello, nel momento in cui vengono applicate determinate forze. Tramite il sensore, sono stati raccolti i dati sulle forze applicate dai soggetti, da includere nella dinamica inversa. Infine, si sarebbe potuto implementare ulteriormente il lavoro tramite l’uso dello strumento di Computed Muscle Control (CMC), ma tale procedura non è stata eseguita a causa di alcune problematiche riscontrate. In seguito a questa fase, sarebbe stato possibile svolgere anche la Muscle Analysis, tramite la quale avremmo potuto osservare le forze a cui i tendini dei muscoli erano stati sottoposti durante i movimenti effettuati. Dalla letteratura sono stati individuati i muscoli i cui tendini vengono più spesso lesionati durante l’arrampicata e di questi si sarebbe studiata la forza tendinea risultante dalle forze applicate sul sensore. Non essendo stato possibile svolgere il calcolo delle attivazioni muscolari tramite la CMC, si è scelto di studiare le rotazioni del busto in seguito all’applicazione delle forze ed i gradi di libertà dell’articolazione del gomito: flesso-estensione e prono-supinazione. Inoltre, si sono analizzate le entità delle forze applicate nelle direzioni indicate precedentemente. Da queste analisi si è potuto riscontrare come, nonostante venisse richiesto ai soggetti di applicare le forze utilizzando solamente il braccio destro, fosse inevitabile una rotazione intorno alle tre direzioni degli assi cartesiani per poter applicare una forza massimale. Inoltre, maggiore è l’entità della forza applicata, maggiore è la rotazione del busto in quella direzione. Analizzando invece i risultati ottenuti riguardo la flesso-estensione e prono-supinazione del gomito, si è potuto notare come i range di questi movimenti rimangano inferiori ai 20° per la flesso-estensione e intorno ai 30° per la prono-supinazione. Dai dati delle forze si è potuto notare come, anche se al soggetto era stato chiesto di applicare la forza in direzioni specifiche, per ogni picco di forza fossero presenti tutte e tre le componenti degli assi cartesiani. Le componenti della forza lungo gli assi cartesiani sono state calcolate solo per i picchi di massima entità, ma dai grafici riportati si può notare come esso si verifichi per tutti i picchi. Un’ altra importante informazione che è stata ricavata tramite l’osservazione dei grafici delle forze applicate al sensore è il fatto che la forza che presenta una maggiore entità sia anche quella applicata lungo l’asse verticale (asse y), in particolar modo la forza massima in questa direzione, cioè quella applicata verso il basso (asse y negativo). Ciò ha dimostrato come applicare una forza in questa direzione sia più semplice, in quanto vengono utilizzati muscoli allenati ogni giorno, che di conseguenza permettono di applicare una forza maggiore. Inoltre, in questa direzione la forza applicata è maggiore in quanto il peso del braccio non viene contrastato ma asseconda l’applicazione di tale forza. In conclusione, questo lavoro di Tesi ha mostrato come durante l’applicazione di forze la posizione del braccio influenzi tale valore e la sua direzione, rendendo più complesso applicarne una che presenti una componente in una sola direzione. Inoltre, se si considera l’arto superiore umano durante le acquisizioni come due corpi rigidi connessi tra loro da una cerniera (gomito) e vincolati a terra da due cerniere (spalla e mano), si vede che i due gradi di libertà del gomito (flesso-estensione e prono-supinazione) presentano dei range di movimento che sono coerenti con le informazioni trovate in letteratura.