Bioingegneria del sistema motorio - Prof. Frigo

Bioingegneria del sistema motorio

Lezione 1 – 19/09/2017

Ci rivolgiamo alla scienza che affronta le tematiche dell’ingegneria applicate a un sistema specifico, in questo caso è il sistema motorio. Possiamo considerare l’uomo come una macchina automotrice. L’insieme dei sistemi che contribuiscono al movimento sono lo scheletro, al quale si vincola la parte muscolare. Il segnale nervoso arriva al muscolo, il quale si contrae e poiché questo è vincolato ai segmenti scheletrici, verrà a determinarsi una coppia che determinerà il movimento.

La macchina automotrice è composta dallo scheletro che è la struttura di sostegno di questa macchina. Questa possiede un sistema a “motore distribuito” perché andiamo a effettuare i movimenti applicando delle coppie, generate dai muscoli, alle diverse parti di questa struttura di sostegno. Si dice distribuito perché il nostro corpo è formato da un sistema articolato con diverse coppie che vanno ad agire sui diversi segmenti. Perché la macchina possa funzionare, necessita di un sistema di alimentazione rappresentato dal sistema respiratorio (polmoni, sangue, ossigeno). Il combustibile è rappresentato dai glucidi, amidi e grassi che andiamo a introdurre con l’alimentazione. Abbiamo un sistema di regolazione automatica rappresentato dalle ghiandole endocrine. Il sistema di comando è rappresentato dal SNC che manda i segnali al SNP e un sistema di trasmissione meccanica che è rappresentato dai tendini e da un sistema di leve.

Il sistema di propulsione e sospensione è fornito dagli arti inferiori che hanno la funzione di generazione della spinta. Abbiamo poi altri sistemi come quello del controllo dell’assetto grazie all’arrivo di info dal sistema vestibolare, propriocettivo e visivo. Abbiamo una serie di controlli di retroazione che sono le afferenze che arrivano ai sistemi sensoriali e abbiamo un sistema di protezione da eventi lesivi come gli archi riflessi. C’è un elemento che è tipico del corpo umano che è il sistema di autoriparazione, sistema che è carente nelle macchine.

Lo studio dell’apparato locomotore è tradizionalmente svolto nell’ambito della fisiologia. Quando parliamo di alterazione del sistema motorio, trauma, lesione e patologia, abbiamo un’equivalente terminologia ingegneristica di cedimento strutturale, guasto del sistema di controllo e interruzione di comunicazione.

Parallelismi tra termini clinici e ingegneristici

Se consideriamo i termini clinici che più riguardano la bioingegneria del sistema motorio, possiamo trovare dei parallelismi tra termini clinici e l'equivalente ingegneristico:

• Postura: In clinica, il mantenimento di una determinata posizione; in ingegneria, identificazione di una serie di coordinate spaziali associate ai gradi di libertà del sistema articolare.
• Gesto o atto motorio: In clinica, azione finalizzata al raggiungimento di uno scopo; in ingegneria, inseguire la posizione in funzione del tempo.
• Funzione motoria: In clinica, capacità di compiere atti motori; in ingegneria, capacità di azionare gli attuatori in modo coordinato.

La postura è un assetto del corpo. L’atto motorio è un ideale cambiamento di assetto corporeo o di una sua parte e dal punto di vista bioingegneristico è descritto dalle variabili cinematiche. Gli atti motori possono essere periodici oppure possiamo avere atti motori transitori (non periodici). Tra quelli periodici ricordiamo il cammino e la corsa, mentre tra quelli transitori ricordiamo l’alzarsi dalla sedia. Ci sono quelli di tipo vegetativo come il battito cardiaco e la respirazione. Abbiamo poi dei movimenti degli atti motori di carattere protettivo e di carattere verbale e atti motori di esplorazione dell’ambiente. Le parti del corpo coinvolte saranno gli arti superiori e inferiori, la gabbia toracica laddove ci riferiamo alla funzione respiratoria, modelli del volto per rappresentare la funzione del parlato, ecc.

Sono state date diverse definizioni di biomeccanica. Tra queste abbiamo la definizione di biomeccanica come la scienza che studia le strutture e le funzioni dei sistemi biologici usando le conoscenze e i metodi della meccanica. La biomeccanica clinica vuol dire considerare quando un movimento è fisiologico o alterato e quanto si allontana dal comportamento fisiologico definito. Laddove si inserisce una protesi, avremo un atto motorio che deriverà dal fatto di aver sostituito l’osso con un sistema artificiale e si andrà a caratterizzare come la postura del soggetto cambia. La biomeccanica dello sport è tutta quella parte di determinanti che consente di valutare la performance dell’individuo per il raggiungimento della massima performance.

Lezione 2 – 22/09/17

Alla base di tutto c’è una struttura portante costituita dallo scheletro. La suddivisione del peso corporeo vede un 43% ad opera della parte del tronco, un 13% per quanto riguarda la parte relativa agli arti superiori e un 7% per quanto riguarda la parte relativa alla testa e collo, per poi avere la parte rimanente che è quella relativa agli arti inferiori. Questa suddivisione ci dà un'informazione importante: sommando queste percentuali, abbiamo una situazione sbilanciata in termini di peso della parte superiore del corpo rispetto a quella inferiore. Questo vuol dire che la parte alta del corpo è supportata dagli arti inferiori che devono svolgere una funzione complessa per determinare una determinata situazione posturale. Appena ho un cambiamento dell’assetto posturale, il mio sistema corpo deve intervenire per ristabilire la corretta postura. Tale struttura si dice anche “meccanica complessa” poiché di per sé è una struttura instabile avendo una base d’appoggio che supporta una struttura con distribuzione di carichi importanti.

Se sostituiamo il corpo con un modello rappresentato con aste (rappresentano gli arti) e le cerniere (articolazioni), abbiamo la forza peso verso il basso e la reazione al terreno derivante dagli assi che deve equilibrare quella della forza peso. Tale reazione al terreno non è verticale ma inclinata e quindi sarà costituita da due componenti. Una piccola variazione porta a destabilizzare questa struttura e a far variare le componenti delle forze di reazioni al terreno.

Abbiamo 206 ossa e circa 700 muscoli che intervengono al fine di stabilizzare questa struttura. Già di per sé il mantenimento della postura ortostatica indifferente risulta complesso, immaginiamo quanto sia più complesso il mantenimento di equilibrio in altre posizioni. Nei casi che vengono riportati nelle slide vengono chiamate in gioco delle forze importanti per mantenere il sistema articolato in questa posizione avendo anche basi di appoggio molto piccole.

La postura è il mantenimento di una certa condizione di equilibrio statico (a velocità nulla) e il movimento viene eseguito mediante il cambiamento del sistema di forze che precedentemente manteneva l’equilibrio statico del corpo o di una sua parte: primo principio della dinamica. Se vado ad applicare una forza sul sistema, questo cambia la posizione. Il movimento viene determinato proprio perché c’è la presenza di una forza.

Le forze esterne sono tutte quelle applicate esternamente ed in particolare, la prima fra tutte è la forza peso. Le forze esterne si riferiscono sia a forze nuove applicate al sistema corpo ma possiamo avere anche una diminuzione delle forze esistenti applicate. Una forza applicata determina una variazione in termini di movimento determinando una condizione di forza che cambierà la condizione statica per dare origine al movimento. Le forze interne sono rappresentate dalle forze muscolari che intervengono al fine di cambiare una data condizione di equilibrio statico e generare movimento. Questo non è solo determinato dall’input delle forze interne ma è regolato dall’insieme delle forze.

I muscoli sono in grado di applicare queste forze in tempi brevi e questi muscoli agiscono sotto l’azione di comandi motori gestiti a livello del SNC. Il muscolo contraendosi determina la forza deputata al mantenimento della postura o a generare il movimento, di fatto questa azione deve essere continuamente regolata durante il tempo perché cambiando la posizione dei segmenti all’interno dello spazio cambia il sistema di forze esterne e quindi l’azione determinata dalle forze interne dovute alla muscolatura deve essere continuamente regolato. L’applicazione della forza fatta dal muscolo deve rispondere a requisiti di controllo continuo in base al movimento che si sta effettuando e in base alle posizioni che il corpo sta ottenendo poiché abbiamo un insieme di forze interne ed esterne.

Il sistema muscolare come fa a regolare l’azione di queste forze? Per modulare la forza abbiamo il fuso neuromuscolare e l’organo tendineo del Golgi. Abbiamo alcuni muscoli in posizione avvantaggiata rispetto ad altri che sono in posizione svantaggiata.

La leva di primo genere è quella dove viene applicata una forza in posizione opposta rispetto a quella del fulcro. Nel caso della muscolatura testa-collo abbiamo una leva di primo genere poiché al fine di mantenere la posizione di equilibrio devo applicare una forza. Più il punto di inserzione del muscolo è lontano dall’articolazione attorno al quale avviene l’equilibrio, minore sarà la forza applicata (leva vantaggiosa).

Le leve di secondo genere hanno un braccio della forza superiore rispetto al braccio delle resistenze e sono quindi vantaggiose. Possiamo vedere un parallelismo con il corpo umano, sulla slide nel disegno tratteggiato l’individuo è sulla punta dei piedi e il fulcro è esattamente sulla punta del piede e a quel punto la forza rappresentativa della forza esterna che è il peso è quella in grigio chiaro mentre la forza muscolare del gastrocnemio è in una posizione anatomica favorevole.

Le leve di terzo genere vedono la presenza di una forza che ha un braccio più corto rispetto a quello della forza esterna, come accade ad esempio nel caso del muscolo bicipite brachiale. In questo caso siamo in una condizione sfavorevole.

La forza di fatto va a determinare un’accelerazione sul punto in cui è applicata e le forze applicate alle masse dei segmenti determinano delle accelerazioni. Se ho un dato di accelerazione, per determinarne uno spostamento a partire dall’accelerazione devo operare una doppia integrazione. Se la forza viene ad un certo punto ad azzerarsi, la velocità che è l’integrale della forza raggiunge un valore costante e quindi il corpo o sta fermo o si muove di moto rettilineo uniforme. Se voglio tornare in condizione di staticità (v=0), devo non solo azzerare la forza ma applicarne anche una uguale e contraria. Sarà il muscolo antagonista che consentirà di sviluppare la forza opposta. L’integrale mi dice che l’area positiva del primo grafico deve essere uguale a quella negativa per ottenere l’azzeramento di velocità. L’azione tra muscoli agonisti e antagonisti può essere di entità diversa ma l’importante è che le aree positive e negative si azzerino. Ci sono anche i muscoli fissatori che consentono di regolare il tipo di movimento.

Il corpo umano è formato da segmenti anatomici (ossa) dotati di massa e connessi da articolazioni. Le articolazioni all’interno dei modelli che rappresentano il controllo posturale del movimento sono rappresentate come cerniere ideali, cioè cerniere senza attrito che permettono rotazioni relative in assenza di attrito. Si tratta spesso di cerniere piane che consentono solo movimenti nel piano. Se il corpo è immerso in un campo gravitazionale, ciascun segmento corporeo è soggetto a una forza proporzionale alla massa. Una forza applicata a un corpo in assenza di una forza che la contrasti comporta un’accelerazione della massa. All’interno della stima delle forze abbiamo sia forze interne ed esterne, quelle interne da sole non sono in grado di spostare il baricentro, ma è l’insieme delle forze interne ed esterne (come le reazioni di appoggio e le forze gravitazionali) che vanno ad equilibrare la situazione di forze.

Il punto di inserzione A e B rappresenta i punti di inserzione della forza muscolare. In caso di assenza di articolazione, le due forze produrrebbero un’accelerazione istantanea lineare inversamente proporzionale alla massa del segmento e un’accelerazione angolare. Inoltre, la forza di fatto dà luogo a un’accelerazione angolare che è proporzionale al momento della forza muscolare per il braccio, quindi la forza muscolare ha un suo braccio rispetto al baricentro che va a determinare una coppia, la quale produrrà un’accelerazione angolare. Quindi quando parliamo di accelerazioni lineari dobbiamo parlare anche di accelerazioni angolari e questa accelerazione angolare produrrà a sua volta un momento delle forze inerziali che è proporzionale al momento di inerzia rispetto al baricentro. Applicando una forza in assenza di vincoli, la forza produrrà un’accelerazione lineare e un’accelerazione angolare che porteranno alla formazione di forze di inerzia.

Nel momento in cui abbiamo un’articolazione, avremo una reazione che interviene che va ad equilibrare la situazione di forze. Il movimento che risulta è determinato sia dalle forze interne dovute alla muscolatura ma anche dalle forze di reazione che a quel punto diventano forze che vengono applicate sulla struttura. La variazione di forza muscolare di un solo muscolo rispetto a quella necessaria per mantenere l’equilibrio statico deve comportare necessariamente (in assenza di interventi di compensazione) un’accelerazione lineare di tutti i segmenti corporei, va a cambiare la configurazione dei segmenti e conseguentemente avremo una variazione dei momenti dovuti alle forze gravitazionali rispetto alle articolazioni e quindi una variazione delle forze interne, altrimenti se non abbiamo una corretta reazione e non raggiungiamo una condizione di equilibrio abbiamo un collasso della struttura. Questo equilibrio tra azioni interne ed esterne avviene ad opera dei muscoli fissatori e antigravitari. I muscoli fissatori bloccano un determinato segmento affinché il movimento di un altro segmento avvenga intorno a quel determinato segmento. I muscoli antigravitari regolano l’assetto posturale e intervengono al fine di evitare che ci sia un cedimento della struttura per effetto della forza gravitazionale.

Lezione 3 – 26/09/17

Ciascuna asta è rappresentativa di un segmento corporeo. Essendo nel campo gravitazionale, a ciascun segmento è applicata una forza nel baricentro corrispondente alla forza peso. Se non abbiamo le forze muscolari e non abbiamo forze di contatto di reazione al terreno, tutti i segmenti del corpo avrebbero un’accelerazione verso il centro della terra. Nel momento in cui inserisco all’interno del modello delle forze rappresentative delle reazioni al terreno, i segmenti che vengono a contatto con il terreno è come se facessero da perno e abbiamo un cedimento della parte superiore comportando un collasso. Se aggiungiamo anche le forze generate dalle forze muscolari, il corpo rimarrebbe in una condizione pari a quella iniziale, quindi di equilibrio. Quindi l’azione dei muscoli antigravitari interviene al fine di evitare il collasso della struttura intorno al punto in cui avviene il contatto con il terreno. Perché la struttura abbia una condizione di equilibrio abbiamo la presenza di molle che rappresentano gli attuatori muscolari. Queste molle genereranno un’azione uguale e contraria in modo da stabilizzare la struttura che stiamo utilizzando.

Isolando un determinato segmento avrò una massa che determinerà una forza gravitazionale, il segmento sarà in equilibrio nel momento in cui il muscolo è in grado di applicare una condizione di forza tale da equilibrare quella condizione. Scostandomi da questa condizione ottengo dei movimenti assolutamente opposti. Il muscolo per applicare sempre la stessa forza ha adottato la strategia di funzionare come se fosse una molla. Data una determinata forza il punto di equilibrio sarà dato dall’intersezione tra la curva rappresentativa della forza elastica Kx e la curva rappresentativa della forza peso. Considerando una molla con rigidezza maggiore, la pendenza della curva è maggiore e raggiungo il punto di equilibrio a una distanza inferiore poiché ho una rigidezza più elevata. I nostri muscoli antigravitari vanno ad agire modificando la rigidezza della molla a seconda della necessità. A seconda della forza richiesta andrò ad agire contraendo la muscolatura avendo una situazione diversa di forza applicata.

La simulazione consente di prevedere il movimento in determinate condizioni, cioè possiamo andare ad applicarla in ambito clinico e tornando utile anche in ambito chirurgico. La postura è una condizione che avviene in presenza di perturbazioni. Se vado a guardare due muscoli opposti (tibiale anteriore e il soleo) e vado a vedere quale è l’azione svolta dalle molle quando sposto le braccia in avanti, possiamo vedere che ci sono degli atteggiamenti, in particolare c’è un incremento della tensione a livello del tibiale anteriore accompagnata da una diminuzione della tensione a livello del soleo. Queste sono quelle che prendono il nome di strategie o aggiustamenti posturali anticipatori che si vengono a creare per far fronte a una nuova situazione posturale. I muscoli agiscono sulla struttura dando una variazione di tensione perché c’è un programma motorio più fine alla base grazie al quale ho una determinata postura. Il programma motorio è una pianificazione dell’atto motorio e delle risorse necessarie per il suo svolgimento. Alla base del programma motorio abbiamo sia le retroazioni (info che dalla periferia vanno a comunicare con il SNC).