Ricostruzione dinamica dell'infortunio al legamento crociato anteriore in calciatori professionisti

The present thesis, developed in collaboration between Politecnico di Milano and Università degli Studi di Milano, aims to devise a methodology for the dynamic reconstruction of the rupture mechanism of anterior cruciate ligament (ACL) in professional soccer players using kinematic data previously obtained through the Model-Based Image-Matching (MBIM) technique. This study led to the creation of an infrastructure that facilitates the transfer of kinematic data obtained through MBIM from Blender to OpenSim, a musculoskeletal modeling software with which Blender is not natively compatible. This transfer enabled the use of OpenSim Moco for the analysis of ground reaction forces (GRFs) and the application of the Zero Moment Point (ZMP) method for the extraction of the center of pressure (CoP). Subsequently, the application of inverse dynamics tools enabled the determination of the joint loads involved in the injury. The validation phase of the GRFs and CoP estimates was conducted on a dataset comprising ten directional changes performed by three healthy subjects, collected in a motion analysis laboratory. A comparison with experimental data revealed an average error of 0.2 BW for the GRFs and 0.06 meters for the CoP. The method was subsequently employed to examine a non-contact ACL injury sustained by a professional soccer player. The analysis yielded significantly elevated joint loads in comparison to those documented in the existing literature for similar changes of direction. In particular, high values of knee valgus and hip abduction moments were observed, which align with the biomechanical models described for this type of injury. The results demonstrate the potential of the methodology, suggesting that further studies using this method could facilitate a deeper comprehension of ACL injury dynamics and augment the existing knowledge on this phenomenon.

Il presente lavoro di tesi, sviluppato in collaborazione tra il Politecnico di Milano e l'Università degli Studi di Milano, si pone come obiettivo di ideare una metodologia per la ricostruzione dinamica del meccanismo di rottura del legamento crociato anteriore (LCA) nei calciatori professionisti a partire da dati cinematici precedentemente ottenuti tramite la tecnica Model-Based Image-Matching (MBIM). Tale studio ha portato allo sviluppo di un’infrastruttura che permette di trasferire i dati cinematici ottenuti tramite MBIM da Blender a OpenSim, software di modellazione muscoloscheletrica, i quali non sono nativamente compatibili. Questo passaggio ha reso possibile l’utilizzo di Opensim Moco per l'analisi delle forze di reazione al suolo (GRFs) e l'applicazione del metodo Zero Moment Point (ZMP) per l'estrazione del centro di pressione (CoP). Successivamente, attraverso strumenti di dinamica inversa, è stato possibile determinare i carichi articolari coinvolti nell'infortunio. La fase di validazione della stima delle GRFs e del CoP è stata eseguita su un set di dati relativi a dieci cambi di direzione effettuati da tre soggetti sani in un laboratorio di analisi del movimento. Il confronto con i dati sperimentali ha rivelato un errore medio di 0.2 BW per le GRFs e di 0.06 metri per il CoP. Il metodo è stato successivamente impiegato per analizzare l’infortunio da non-contatto al LCA subito da un calciatore professionista. L’analisi ha rivelato carichi articolari significativamente più elevati rispetto ai dati riportati in letteratura. In particolare, sono stati osservati elevati valori di momenti in valgo del ginocchio e abduzione dell’anca, risultati che sono in linea con i modelli biomeccanici descritti per questa tipologia di lesione. I risultati dimostrano le potenzialità della metodologia, suggerendo che tramite questo metodo, ulteriori studi potrebbero approfondire la comprensione della dinamica degli infortuni al LCA e aumentare il grado di conoscenza di questo fenomeno.