Ricostruzione del meccanismo di rottura del legamento crociato anteriore nel calcio maschile d'élite

Introduction: the anterior cruciate ligament (ACL) rupture is one of the most serious injuries that can occur in football: on average it takes between 7 and 12 months for the player to return to play official matches. Understanding the causes that lead to this injury therefore becomes not only a fundamental tool to be able to treat more effectively injuries that have already occurred, but also to create specific preventive training programs capable of significantly reducing the numbers of ruptures. Until today this injury has been studied through an "in vivo" two-dimensional video-analysis: this approach uses television footage to estimate the joint angles on the anatomical reference planes. This methodology, however, has a rather poor reliability, even if performed by expert researchers, and does not allow to obtain the three-dimensional kinematics of the action that leads to the injury, guaranteeing only a qualitative estimate of the joint angles that are often underestimated. The model-based image-matching technique is proposed as a new approach capable of reconstructing the injury in three dimensions based on the television footage available, allowing to increase the accuracy of the calculation of the kinematic variables of the joints of interest after the ex-post calibration procedure of the cameras available at the stadium To date, except for a report concerning a single injury, there are no studies of this type applied to football in the literature. Study aim: the aim of this work is to study the kinematics of the movements that leads to the rupture of the anterior cruciate ligament in the players of the most important European championships. By evaluating a larger number of injuries, it is expected to be able to define one or more general patterns of the kinematics of the joints of the lower limbs and of the situational and environmental characteristics. This not only, of course, to avoid that athletes have to face injuries capable of cutting down, or even ending, their career, but also to reduce the economic costs that the anterior cruciate ligament injury entails for athletes and football clubs. Materials and methods: 17 consecutive ACL injuries occurred to players aged between 21 and 37 years were evaluated in the period between 5 September 2020 and 30 September 2021. The injuries analyzed occurred during official matches of the five main European championships, the North American championship, the editions of the European Championship and Copa America held in 2021, the Olympic Tournament and, finally, the three European competitions for club teams - both group stages than those with direct elimination. The present study focused on injuries occurred by indirect contact or non-contact, the conditions for which the ACL ruptures occurred by direct contact was not evaluated in the course of this work as it would not allow to define preventive programs in predictable manner. Defined, for each video, the initial contact (IC) with the ground, through special video editing programs we proceeded to extract 9 frames, one every 0.1 s from 500 ms before IC up to 0.3 s after the injury. In this phase, a tenth frame of interest was identified, the one that was best estimated as the actual instant of injury: the IF (injury frame). At the same time, information was also acquired about the context in which the rupture occurred, using both the videos available and the information available online. To be able to reconstruct in 3D the game situation that led to the injury it was first necessary to create a virtual model of the pitch (with the lines, the goals and the flags), and then to calibrate the cameras with this surface for each frame of each camera used. A skeleton model has therefore been placed in the working space so that it is superimposed on the available images of the player. Having recreated the movement that caused the injury, the angles of the hip, knee and ankle of both the injured and the contralateral limb were exported. Results: almost all the ruptures analyzed occurred in the absence of precipitation (16/17 cases), in situations of indirect contact usually occurring with perturbations affecting the upper part of the body. The region of the court in which the highest absolute frequency was observed (5/17 cases) is the opponent's penalty area. In general, at the IC frame 10 out of 17 injured players hit the ground first with the heel. The kinematic analysis was carried out by dividing the injuries into four categories that describe the main mechanisms that were found leading to ACL injuries on the football field: dribbling, landing, reaching and sidestep. Discussion: this study demonstrates the importance of classifying and analyzing the injuries occurring on the playing field separately: in fact, it is possible to observe how the same result, the ACL injury, can occur, according to the different movements, with very different angular values. On the other hand, this study highlighted how the change of direction is the circumstance that most of all exacerbates the joint configurations typical of anterior cruciate ligament rupture - in this case hip abduction, slightly valgus knee flexion and pronated ankle. Conclusion: this study has shown for the first time, through the use of real data, the three-dimensional kinematics of the cruciate injury on a sample of dimensions not yet reached before, with reference to the analysis technique adopted. Not only this study can be expanded by adding new cases and thus allowing to improve the statistical value of what has been obtained and to lead to the definition of even more specific and defined patterns, but it can also be used to build specific preventive programs for reducing the incidence of ruptures of the anterior cruciate ligament. In this case, a program focused on the correct execution of specific movements considered risky in terms of ACL ruptures and the introduction of particular exercises capable of training the players to work in the presence of perturbations, especially the ones affecting the upper part of the body, could be able to lead to a reduction in the incidence of injury to the anterior cruciate ligament in football.

Introduzione: la rottura del legamento crociato anteriore (RLCA) è uno dei più gravi infortuni che si possono verificare nel gioco del calcio: in media il tempo necessario al giocatore per ritornare a disputare partite ufficiali varia fra i 7 e i 12 mesi. Comprendere quali sono le cause che portano a tale infortunio diventa, quindi, uno strumento fondamentale per poter non solo trattare più efficacemente le lesioni già verificatasi, ma anche per creare degli appositi programmi di allenamento preventivo in grado di ridurre in maniera significativa l'insorgere della lacerazione. Ad oggi in letteratura tale infortunio è stato studiato in condizioni dette "ecologiche" (reali) tramite video-analisi bidimensionale: tale approccio sfrutta le riprese televisive per stimare gli angoli articolari sui piani anatomici di riferimento. Questa metodologia, però, possiede un'affidabilità piuttosto scarsa, anche se compiuta da ricercatori esperti, e non permette di ottenere la cinematica tridimensionale dell'azione che porta all'infortunio, garantendo solo una stima qualitativa degli angoli articolari che spesso vengono sottostimati. La model-based image-matching technique si propone come un nuovo approccio in grado di ricostruire in tre dimensioni l'infortunio basandosi sulle riprese televisive disponibili, permettendo di aumentare l'accuratezza del calcolo delle variabili cinematiche delle articolazioni d'interesse a valle della procedura di calibrazione ex-post delle telecamere presenti nell'impianto sportivo. Ad oggi, fatta eccezione per un case report riguardante un solo infortunio, non sono presenti in letteratura studi di questo tipo applicati al gioco del calcio. Obiettivo della tesi: l'obiettivo principale del presente lavoro è quello di studiare la cinematica dei movimenti che portano alla rottura del legamento crociato anteriore nei calciatori dei più importanti campionati europei. Valutando un numero maggiore di lesioni ci si aspetta di essere in grado di definire uno o più pattern generali della cinematica delle articolazioni degli arti inferiori e delle caratteristiche situazionali e ambientali. Questo non solo, ovviamente, per evitare che gli atleti debbano andare incontro a infortuni in grado di interrompere, o addirittura far terminare, la propria carriera, ma anche per ridurre quelli che sono i costi economici che la RLCA comporta per atleti e società calcistiche. Materiali e metodi: sono stati valutati 17 infortuni consecutivi al legamento crociato anteriore occorsi a giocatori di età compresa fra i 21 e i 37 anni nel periodo di tempo che intercorre fra il 5 settembre 2020 e il 30 settembre 2021. Gli infortuni analizzati si sono verificati nel corso di partite ufficiali dei cinque principali campionati europei, del campionato nordamericano, delle edizioni del Campionato Europeo e della Copa America disputatesi nel 2021, del Torneo Olimpico e, infine, delle tre competizioni europee della UEFA per squadre di club - sia le fasi a gironi che quelle ad eliminazione diretta. Il presente studio si è concentrato su infortuni avvenuti per contatto indiretto o non contatto, la condizioni per cui la RLCA si è verificata per contatto diretto non è stata valutata nel corso di questo lavoro di tesi poiché non permetterebbe di definire dei programmi preventivi in maniera prevedibile. Definito, per ogni video, l'istante IC di contatto con il terreno (initial contact), attraverso appositi programmi di editing video si è provveduto ad estrarre 9 fotogrammi, uno ogni 0.1 s a partire da 500 ms prima del frame di RLCA fino ad arrivare a 0.3 s dopo l'infortunio. In questa fase è stato identificato un decimo frame d'interesse, quello che è stato stimato meglio rappresentare l'istante vero e proprio d'infortunio: l'IF (injury frame). Contemporaneamente a ciò si è anche provveduto ad acquisire informazioni circa il contesto in cui si è verificata la rottura, sfruttando tanto i video a disposizione quanto le informazioni reperibili in rete. Per potere ricostruire in 3D la situazione di gioco che ha portato alla RLCA è stato necessario innanzi tutto creare un modello virtuale del terreno di gioco costituito dalle linee del campo, le porte e le bandierine, e poi calibrare le telecamere con tale superficie per ogni frame di ogni telecamera utilizzata. Si è provveduto quindi a posizionare nello spazio un modello scheletrico in modo tale che risultasse sovrapposto alle immagini del giocatore disponibili. Ricreato il movimento che ha determinato l'infortunio si sono esportati gli angoli di anca, ginocchio e caviglia sia dell'arto infortunato che di quello controlaterale. Risultati: la quasi totalità degli infortuni analizzati è avvenuta in assenza di precipitazioni (16/17 casi), in situazioni di contatto indiretto solitamente verificatosi con perturbazioni a carico della parte superiore del corpo. La regione del campo in cui si è osservata la frequenza assoluta maggiore (5/17 casi) è l'area di rigore avversaria. In generale, all'istante IC 10 dei 17 giocatori infortunati hanno toccato il terreno prima con il tallone. L'analisi cinematica è avvenuta suddividendo gli infortuni in quattro categorie che descrivono i principali meccanismi che si è riscontrato portano alla RLCA sul campo da gioco: dribbling, landing, reaching e sidestepping. Discussione: il presente lavoro dimostra l'importanza di classificare ed analizzare separatamente gli infortuni occorsi sul campo di gioco: infatti è possibile osservare come il medesimo risultato, ovvero l'infortunio, possa verificarsi, a seconda dei diversi movimenti, con valori angolari molto diversi fra loro. D'altra parte, questo studio ha evidenziato come il cambio di direzione sia la circostanza che più di tutte estremizza le configurazioni articolari tipiche della rottura del legamento crociato anteriore - nella fattispecie abduzione dell'anca, flessione del ginocchio leggermente valgo e caviglia pronata. Conclusione: il presente studio ha per la prima volta mostrato, mediante l'uso di rilevazioni reali, la cinematica tridimensionale dell'infortunio al crociato su un campione di dimensioni non ancora raggiunte prima, in riferimento alla tecnica di analisi adottata. Non solo questo lavoro potrà essere ampliato aggiungendo nuovi casi e permettendo quindi di migliorare la valenza statistica di quanto ottenuto e di portare alla definizione di pattern ancora più specifici e definiti, ma potrà anche essere utilizzato per costruire programmi preventivi specifici per la riduzione dell'incidenza delle rotture del legamento crociato anteriore. Nella fattispecie, un programma incentrato sulla corretta esecuzione di specifici movimenti ritenuti "a rischio" in termini di RLCA e l'introduzione di particolari esercizi in grado di abituare i giocatori a lavorare in presenza di perturbazioni motorie, soprattutto a carico della parte superiore del corpo, è auspicabile possa portare alla riduzione dell'incidenza dell'infortunio a carico del legamento crociato anteriore nel calcio.