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Domande bioingegneria meccanica

Domande svolte che capitano all'esame di bioingegneria meccanica con la professoressa Bignardi presso il Politecnico di Torino basate su appunti personali del publisher presi alle lezioni della prof. Bignardi dell’università degli Studi del Politecnico di Torino - Polito. Scarica il file in formato PDF!

Esame di Bioingegneria meccanica docente Prof. C. Bignardi

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ESTRATTO DOCUMENTO

La cuffia dei rotatori composta dai muscoli:

piccolo rotondo, sopraspinato, infraspinato e

sottoscapolare. Sono quindi “grossi tendini” che

avvolgono e sostengono l’articolazione scapolo-

omerale formando una vera e propria cuffia.

Una funzione importante della cuffia dei rotatori

è quella di consentire la rotazione e aiutare la

stabilità della spalla, dato che per la direzione

della risultante R, il deltoide tenderebbe a

lussare la spalla verso l’alto, cosa che appunto

non viene permessa dalla cuffia dei rotatori, che

riporta la risultante all’interno

dell’articolazione, facendo si che R comprima la

testa omerale nella cavità glenoidea.

Forze applicate sul ginocchio:

L’articolazione del ginocchio è un’articolazione particolarmente delicata in quanto è soggetta a

sollecitazioni notevoli di ogni genere.

La principale caratteristica del ginocchio, che deve essere mantenuta in fase di protesizzazione, è

quella di andare a consentire una rapida flesso-estensione.

L’articolazione del ginocchio è caratterizzata anche da avere la rotula, un “bottoncino” che va ad

interfacciarsi unicamente col femore, e che è avvolto nel tendine rotuleo. Su questa vanno ad unirsi

i 4 fasci del quadricipite da cui iniziano poi a diramarsi.

Le principali funzioni della rotula sono: di protezione dell’articolazione, e di fungere da potenziale

d’azione per i quadricipiti. Nella figura sono rappresentati:

Q = compito di stabilizzare il ginocchio comprimendo

1

la rotula sul femore;

Q = componente che scorre fino alla tibia;

2

Q = Q = componenti che schiacciano la tibia sul

3 5

femore;

Q = Q = componenti che mi consentono l’estensione

4 6

della gamba;

Corsetti:

I corsetti ortopedici, anche noti come ortesi, hanno il ruolo fondamentale di riuscire a fermare

l’evoluzione della scoliosi, ossia quella deformazione della colonna vertebrale caratterizzata da una

deviazione tridimensionale in quanto si ha anche una lieve rotazione della gabbia toracica, unita ad

una flessione in avanti della colonna.

La scoliosi può presentarsi come: atteggiamento scoliotico, scoliosi posturale, e scoliosi idiopatica.

Spesso assieme alla scoliosi, si ha la presenza del gibbo, presente in soggetti esageratamente

scoliotici in cui si è verificata una fuoriuscita della scapola a causa del movimento della gabbia

toracica, e che spesso, se grave può causare anche schiacciamento degli organi interni.

I corsetti hanno quindi una funzione riparativa.

I corsetti possono essere di due tipi:

1. Corsetti di tipo conservativo: sono corsetti che non servono per correggere ma per

sostenere e proteggere la colonna vertebrale per esempio in seguito a operazioni, o per

prevenzione di crolli vertebrali osteoporotici, o per prevenzione del dolore. I corsetti di tipo

conservativo sono ad esempio: armature, esoscheletri, busti gessati ecc.

2. Corsetti di tipo correttivo: sono corsetti usati appunto con una principale funzione

correttiva, che va fatta con atti diretti a modificare il modello di distribuzione delle

sollecitazioni nella colonna scoliotica. Questa avviene con tecniche diverse, come:

- trazione lungo l’asse del rachide , con l’applicazione di una forza sotto il mento;

- appoggio di deflessione laterale , con l’applicazione di una deflessione laterale che fa

perno sulle coste senza andarle a schiacciare, a cui vengono associate controspinte in

corrispondenza delle due estremità, superiore e inferiore, della curva principale. Azione

che va bene per curve di lieve angolazione;

- derotazione , si ha con l’uso di cinghie che inducono una derotazione con forze di

pressione, della colonna intorno al suo asse verticale, a cui viene associata una

controspinta toracica tale da provocare una coppia torcente. Si va quindi ad applicare

una forza sulla scapola, e una anteriormente sul tronco dalla parte opposta alla scapola

scelta.

I corsetti vengono costruiti andando a realizzare un calco sul busto del paziente in questione, e da

questo calco si andrà poi a realizzare un calco positivo su cui si andranno a studiare pressioni e

deflessioni.

I corsetti hanno grande effetto se usati in età giovane, tra i 10 e i 15 anni, perché una volta che si è

in età adulta, in cui si è ultimata la formazione ossea il paziente si stabilizza, e si useranno

solamente corsetti contenitivi.

Esempi di corsetti correttivi:

• Corsetti Milwaukee: costituiti da una cintura pelvica realizzata su un modello di gesso con

parametri geometrici specifici. Questi corsetti sono usati per curve toraciche alte in età tra i

2 e i 14 anni. Porta immediatamente ad una correzione del 50%, che all’abbandono si riduce

al 20%.

• Corsetti Lionese: costituiti da 2-3 gessi correttivi di 45 giorni l’uno, e successivamente si

usa un corsetto di materiale plastico. Portano immediatamente ad una correzione del 50%,

che all’abbandono si riduce al 10%.

• Corsetti a tre valve: sono costituiti da due aste in alluminio su cui sono montate 3 pelote

sagomate, essi vengono prescritti senza gesso in scoliosi inferiori a 35°. Portano

immediatamente ad una correzione del 50%, che all’abbandono si riduce al 15%.

• Corsetti di Chêneau: costituiti da polietilene che attua una correzione del 80-90% molto

usato nei giovani.

Scoliosi e test di Risser:

La scoliosi è una deviazione tridimensionale di uno o più tratti della colonna vertebrale,

tridimensionale in quanto c’è anche una lieve rotazione e flessione in avanti della gabbia toracica.

Le alterazioni della scoliosi interessano le vertebre, i dischi e i legamenti.

La scoliosi può presentarsi come: atteggiamento scoliotico, scoliosi posturale, e scoliosi idiopatica.

Spesso assieme alla scoliosi, si ha la presenza del gibbo, presente in soggetti esageratamente

scoliotici in cui si è verificata una fuoriuscita della scapola a causa del movimento della gabbia

toracica, e che spesso, se grave può causare anche schiacciamento degli organi interni.

La scoliosi colpisce tipicamente gli adolescenti, specialmente quelli di sesso femminile, e può

essere classificata in base al numero delle curve, o secondo il tipo di deformazione.

Per la valutazione del tipo e della gravità della scoliosi, si utilizza la misura dei gradi Cobb, e inoltre

la misura del livello di maturità ossea attraverso il test di Risser.

Test di Risser: questo test si fa perché il grado di scoliosi deve anche essere confrontato con il grado

di maturità osseo, dal momento che a seconda di questa caratteristica si interviene in un modo

piuttosto che un altro. Le solidificazioni ossee avvengono di solito tra gli 11 e i 20 anni.

Il test stabilisce il grado di maturità osseo valutando l’ossificazione delle creste iliache, con un

risultato che può variare da Risser 0 a Risser 5.

Risser 0 = assenza di nucleo;

Risser 1 = comparsa di un nucleo;

Risser 2 = formazione di più nuclei;

Risser 3 = fusione dei nuclei, sul lato esterno della cresta;

Risser 4 = estensione mediale dei nuclei fusi;

Risser 5 = fusione dei nuclei con l’osso iliaco.

Fino a Risser 2 il rischio di peggioramento è del 50%, dopo Risser 2, il rischio si riduce al 20%.

Polare del moto:

Un moto qualsiasi può essere descritto dalla polare del moto, come la successione dei centri di

istantanea rotazione, che vengono uniti attraverso una curva ipotetica ideale.

Un moto qualsiasi può essere considerato come la somma di tanti moti parziali, ciascuno dei quali

equivale alla rotazione intorno ad un punto che è appunto il centro di istantanea rotazione.

Il moto è considerato bidimensionale o piano quando tutti i punti del corpo rigido in movimento

rimangono sempre sullo stesso piano durante il moto.

Nelle articolazioni il centro di istantanea rotazione si muove istante per istante generando le due

polari del moto, fisse rispetto ai due corpi che si muovono, come ad esempio tibia e femore.

Il centro di istantanea rotazione, punto del corpo rigido che ha velocità nulla in quell’istante, se si

trova sulle superfici di contatto dell’articolazione si ha rotolamento, altrimenti si ha strisciamento

con direzione ortogonale al segmento che congiunge il centro di istantanea rotazione C con il punto

di contatto delle superfici.

Il centro di istantanea rotazione C, può essere ottenuto con un metodo che permette di identificare le

linee polari del moto:

• Si individuano due punti A e B sul corpo;

• Si individuano A e B nelle varie posizioni del corpo nel suo moto;

• Si tracciano i segmenti A -A , B -B ...

1 2 1 2

• Si tracciano le perpendicolari a questi segmenti nel loro punto medio;

• Si individuano i centri di istantanea rotazione C dalle intersezioni delle perpendicolari

i

• Si raccordano i vari C trovati.

i

Se i punti C raccordati sono molto vicini tra loro si ha prevalenza di strisciamento, se invece sono

i

lievemente distanti, si ha prevalenza di rotolamento.

Per ogni legge del moto esiste una sola coppia di polari che lo può realizzare ma infinite coppie di

profili coniugati, che si mantengono in contatto quindi rotolando e strisciando. Nel ginocchio, i due

profili coniugati presenti permettono il movimento di flesso-estensione.

Problematiche protesi d’arto portante:

Le principali problematiche che si presentano nel momento in cui si va a protesizzare un osso molto

sollecitato sono:

• Usura dei cotili: causata sa continui movimenti e sollecitazioni, e che potrebbe portare a far

si che i prodotti di usura, cioè quei trucioletti che si formano a causa dell’uso di cotili in

polietilene, causino una reazione da parte del tessuto osseo che non li riconosce come

biocompatibili, andando a richiamare l’intervento di macrofagi che oltre ad inglobare i

trucioletti inglobano anche una parte di osso formatosi, causando indebolimento e mobilità

della protesi.

Per questa ragione si sterilizza il polietilene, e si va a scegliere una testa protesica di

dimensioni adeguate che garantisca la minore usura possibile.

• Forma stelo: la forma dello stelo deve essere scelta in maniera tale da non causare il

fenomeno di stress shielding e conseguente by-pass dei carichi.

• Entità dei micromovimenti: è opportuno che nel momento in cui si è stati soggetti a

intervento di protesizzazione, nell’immediato post operatorio, si limitino i movimenti

relativi di sollecitazioni dovuti alle normali attività umane, facendo si che questi siano

tra stelo e osso.

• Mini invasività chirurgica

• Complicanza: costituita per esempio dalla lussazione, che può essere prevenuta andando ad

usare testine più grandi e coppe più avvolgenti.

Dispositivo di Marey:

Nel muscolo sia il potenziale d’azione che la contrazione, si propagano come un’onda. Per trovare

la lunghezza d’onda del muscolo si usa il dispositivo di Marey.

Questo dispositivo è composto da due leve scriventi, che hanno un’estremità appoggiata su un

cilindro rotante (chimografo) a velocità costante, e l’altra estremità adagiata parallelamente rispetto

all’altra sull’asse longitudinale del muscolo.

Le estremità scriventi individuano il passaggio dell’onda di contrazione, stimolata tramite due

elettrodi posizionati ad un’estremità del muscolo, il quale è adagiato su un piano (nel suo

esperimento Marey considera il muscolo sartorio di una rana in quanto ha fibre muscolari tutte

parallele tra di loro, e perché è un muscolo lungo).

Conoscendo quindi la distanza tra le due leve e l’intervallo di tempo tra due deflessioni si può

calcolare la velocità di propagazione dell’onda, che risulta essere circa pari a 10m/s.

Conoscendo poi, quindi, la velocità di propagazione dell’onda di contrazione v, e il periodo di

latenza di contrazione T della scossa semplice, si può calcolare la lunghezza d’onda del muscolo

con l’espressione:

Assumento T pari a 100ms si avrà che la lunghezza d’onda che esprime il tratto

muscolare, è sempre molto maggiore della lunghezza effettiva del muscolo, in quanto i muscolo di

1m non esistono.

Questa condizione è indispensabile per avere una contrazione simultanea del muscolo in tutte le sue

parti.

Quick Release:

L’esperimento di Quick Release è un esperimento che combina la situazione isometrica, con quella

isotonica.

Il muscolo viene bloccato ad una lunghezza L (condizione isometrica) e viene stimolato con

0

frequenza tale da portarlo in regime tetanico in cui svilupperà la massima tensione P .

0

Tolto il blocco, il muscolo viene lasciato libero di contrarsi, e si andrà a misurare la velocità di

contrazione, che avverrà in funzione dei bracci di leva .

Il muscolo si accorcerà in due tempi differenti, infatti si avrà un primo accorciamento che

costituisce un gradino netto a cui segue una diminuzione di tipo esponenziale, per cui il muscolo

avrà un comportamento assimilabile a quello di una molla più qualche elemento smorzante.

Si ha inoltre che un muscolo che si accorcia, non permetterà di sviluppare la stessa forza che

sviluppa in condizioni isometriche.

Protesi a vite:

Le protesi a vite sono soluzioni meno convenzionali usate in situazioni in cui si vuole conservare il

collo femorale, queste ricorrono al collegamento protesi-osso mediante viti.

Le protesi a vite si suddividono in protesi di 1°, 2° (protesi a disco di compressione) e 3°

generazione.

L’utilità della protesi a vite è data dal fatto che variando l’inclinazione delle viti, si può facilmente

trovare la soluzione più utile al paziente, quindi sono particolarmente versatili.

In generale queste protesi si usano per rimarginare fratture del collo femorale.

Nella protesizzazione d’anca, è importante non andare ad abusare delle resezioni, in quanto il collo

femorale è molto importante in quanto sostiene lo stelo dalla parte mediale riducendo le

sollecitazioni di flessione e le deformazioni in varo.

Metodi di analisi dello stato tensionale in elementi ossei:

Nella letteratura si individuano due diverse tipologie di analisi del comportamento delle strutture

ossee, e del loro accoppiamento a protesi.

Analisi sperimentali: sono analisi che possono essere effettuate in vivo, o in vitro.

In vivo sono stati studiati i comportamenti delle ossa attraverso studi con la tecnica estensimetrica,

andando ad applicare su ossa esposte come rotula e tibia degli estensimetri a soggetti a cui veniva

chiesto di camminare e di correre, andando a riscontrare che durante la deambulazione si ha

compressione-trazione-compressione, mentre nella corsa si ha una prevalenza di compressione sulle

ossa. O ancora in vivo si è usata la tecnica degli ultrasuoni in cui veniva misurata la velocità di

propagazione degli ultrasuoni attraverso di nuovo ossa esposte come rotula e tibia, in soggetti

uomini e donne prima e dopo essere sottoposti ad una gara di maratona, e si verificò che nell’uomo

gli ultrasuoni si propagano più velocemente, e inoltre si ha un generale aumento della velocità di

propagazione degli ultrasuoni nell’osso affaticato.

In vitro invece si è usata la tecnica della fotoelasticità, per cui si è andato a rivestire l’osso di un

materiale fotoelastico, su sui veniva poi proiettato un fascio luminoso. Così facendo si andò a

studiare, sfruttando le caratteristiche di biorifrangenza del materiale il quale va ad emettere fasce di

colori quando colpito da fasci luminosi, consentendo di individuare le zone di maggiore

concentrazione delle sollecitazioni.

Analisi matematiche: sono analisi che sfruttano l’uso di equazioni scritte per modelli

geometricamente semplificati, quindi schematizzando l’osso con travi a sezione costante che

vengono sollecitate in modi diversi, e sfruttando anche lo studio della cinematica su struttura

geometricamente complesse utilizzando sistemi/software di generazione delle superfici.

Equazione di Hill:

L’equazione di Hill descrive la capacità di un muscolo scheletrico tetanizzato di contrarsi in

opposizione ad un carico T.

Un fascio muscolare è tenuto ad una lunghezza fissa tramite una morsa, viene poi stimolato

elettricamente per produrre massima tensione tetanica T .

0

In questa condizione il muscolo viene poi rilasciato improvvisamente con una forza agente pari a T

< T , e il muscolo comincia a contrarsi.

0

Da qui si misura la velocità V di accorciamento.

dove:

v = velocità di contrazione

T = forza isometrica massima alla velocità zero

0

a,b = costanti dipendenti dal tipo di muscolo

T = forza sviluppata dal muscolo quando viene sganciato

da questa equazione si può inoltre ricavare la velocità v massima di contrazione che si ha per T = 0

0

(velocità di accorciamento a carico nullo):

Si ha quindi che:

• Maggiore è il carico, minore sarà la velocità di contrazione

• La velocità di accorciamento è massima quando T=0

• La forza sviluppabile dal muscolo diminuisce all’aumentare della velocità di accorciamento

Per cui la massima tensione isometrica T dipende pesantemente da L , e quando il sarcomero ha

0 0

una lunghezza tra 2 e 2.2 , la tensione attiva non dipende dalla lunghezza del muscolo.

La massima velocità di accorciamento V invece, non è direttamente dipendente da L .

0 0

Per T > T0 si è ipotizzato un andamento

simmetrico, per cui c’è un valore di soglia

oltre il quale si ha un aumento incontrollato

della velocità.

Modello di Hill:

L’equazione di Hill descrive solo le proprietà attive del muscolo scheletrico, durante il tetano, per

cui è necessario un modello più completo per descrivere il comportamento del muscolo non

stimolato, o durante il singolo spasmo.

Dall’analisi lunghezza-tempo si nota che, alla rimozione del fermo, l’allungamento vede due fasi:

una prima istantanea, e una seconda lenta.

Per cui per descrivere questo comportamento Hill ipotizzò un modello del muscolo.

Il modello di Hill è composto da:

• Generatore di forza T , il quale sviluppa sempre la massima forza

0

• Smorzatore, che si oppone ad una variazione di lunghezza del muscolo con una forza F pari

a

• 2 elementi elastici, uno in serie responsabile della risposta istantanea, e uno in parallelo che

rappresenta la risposta elastica non lineare del tessuto connettivo

All’inizio si pensò che il liquido smorzante fosse l’acqua, ma l’acqua è un fluido Newtoniano, e la

viscosità è indipendente da v, e non cambia intorno alla temperatura corporea, mentre si sa che lo

smorzamento B scende quando la temperatura sale.

Per valutare T , quello che viene definito come lo stato attivo, vennero fatti diversi esperimenti per

0

determinare il suo comportamento nel tempo, come ad esempio:

• Prova isometrica, mantenendo L costante, e variando T. Prendendo una fibra muscolare e

stimolandola con una scossa semplice si osserva un andamento di latenza, accorciamento,

rilasciamento.

• Prova isotonica, mantenendo T costante, e variando L. Prendendo una fibra muscolare la si

stimola con un treno di impulsi, rilasciando poi la fibra dopo un po’ di tempo.

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Teoria di Eulero:

Eulero elaborò una teoria, anche nota come teoria dell’instabilità, secondo la quale:

la resistenza di una trave caricata in compressione sul suo asse longitudinale, è direttamente

proporzionale al quadrato dell’area della sua sezione trasversale, e inversamente proporzionale al

quadrato della sua lunghezza.

Bone modeling, Bone healing, Bone turnover:

Esistono 3 differenti processi distinti in cui si osserva una correlazione tra azioni meccaniche ed

organizzazione strutturale del tessuto osseo, per cui 3 processi in cui si osserva il processo di

rimodellamento osseo:

1. Bone modeling (processo di formazione per accrescimento): processo in cui si ha la vera e

proprio fase di accrescimento delle ossa, in cui la forma delle ossa appare ottimizzata

rispetto ai carichi e quindi alle sollecitazioni che deve sopportare.

2. Bone healing (processo di riparazione delle fratture): processo in cui si vede la formazione

del callo osseo in seguito a una frattura, e si ha in soggetti che si considerano già maturi dal

punto di vista dell’accrescimento osseo. Questo callo osseo è quindi una riorganizzazione

del tessuto osseo attorno alla frattura.

3. Bone turnover (processo di ricambio osseo): processo in cui l’osso esegue il suo normale

rimodellamento in seguito a tutte le microfratture che si vengono a creare nelle quotidiane

sollecitazioni a cui l’osso viene sottoposto, quindi si ha ricambio della matrice extracellulare

in relazione alla storia di carico.

Artrite e Artrosi:

Sono due differenti patologie delle articolazioni.

L’artrite: è una malattia infiammatoria dell’articolazione, che porta ad avere un’articolazione

dolorante, gonfia e che dà sensazione di calore. Questa è una patologia che può colpire anche

soggetti giovani.

L’artrosi: è una malattia cronica degenerativa, che colpisce prevalentemente gli anziani, e che è il

risultato della lente degenerazione dell’articolazione in conseguenza al passare del tempo, quindi a

causa dell’usura, con un progressivo assottigliamento della cartilagine articolare.

Struttura dischi intervertebrali + patologie del disco:

I dischi intervertebrali, i quali sono saldamente attaccati alle facce dei due corpi vertebrali, hanno

una forma biconvessa e si presentano lungo il rachide con dimensioni non costanti.

I dischi si possono vedere come composti da: un anello fibroso periferico, e un nucleo polposo

centrale.

Anello fibroso: è un anello di fibre che si viene a creare perifericamente nel disco intervertebrale e

che sopporta carichi in tutte le direzioni, con il compito principale di distribuire uniformemente il

carico sull’intero disco.

Nucleo polposo: è una massa ovoidale di aspetto gelatinoso che si trova all’interno del disco

intervertebrale, che offre una notevole resistenza alla compressione. Chi si prende il carico

maggiore è il nucleo, mentre all’anello viene lasciato solo un carico di contenimento.

Il disco intervertebrale non fa male, perché non è innervato, ma causa dolore nel momento in cui va

a comprimere i nervi a livello spinale, o nel momento in cui si ha contatto diretto tra vertebre.

Le principali patologie del disco sono:

• ERNIA: patologia causata dall’età, dalla postura, dallo stile di vita, ecc e comporta un

rigonfiamento con talvolta annessa fuoriuscita del nucleo, che va a causare uno

schiacciamento della radice del nervo, provocando così dolore. È presente più sovente nella

zona lombare, zona maggiormente soggetta a carichi, e si presenta con 4 diverse fasi

degenerative:

1- degenerazione del disco, in cui si ha un’espansione non corretta del nucleo che comprime

i nervi spinali;

2- prolasso;

3- espulsione;

4- isolamento;

• DISCOPATIA DEGENERATIVA: si ha un irrigidimento, assottigliamento e fessurazione

del disco intervertebrale, il quale ha perso elasticità a causa di una diminuzione del

contenuto di acqua, che solitamente è pari al 90%.

Si pensa che questa patologia sia causata da una riduzione di apporto delle sostanze

nutritive.

• PROTRUSIONE DISCALE: è una sorta di ernia, che vede la fuoriuscita del disco dalla sua

sede e va a schiacciare i nervi. Questa volta quindi è il disco a fuoriuscire, non il nucleo.

Tecnica dello Scaling:

La tecnica dello Scaling nasce per l’esigenza di non limitare l’approccio di sicurezza delle vetture al

50%ile maschio, ma di estenderlo all’intera popolazione esposta al rischio, quindi anche a bambini,

a 5%ile donna, e a 95%ile uomo.

Questo in teoria sarebbe impossibile a causa della mancanza di dati specifici sperimentali, ma è

stato reso possibile da questa tecnica, che partendo dai dati ormai noti del 50%ile maschio

(manichino H ) consente di calcolare i criteri di prestazione ignoti purchè si conoscano i fattori di

3

scala che legano fra di loro alcune grandezze fondamentali.

Per esempio per l’HIC, si sono usati:

• Fattore di scala di lunghezza:

• Fattore di scala di massa:

• Fattore di scala di resistenza a rottura:

• Fattore di scala nel tempo: T = L

• Fattore di scala di accelerazione:

• Fattore di scala HIC:

Colpo di frusta:

Il colpo di frusta è un evento traumatico che interessa la colonna vertebrale e in particolar modo il

collo. Nella maggior parte dei casi insorge in seguito a un brusco movimento del campo che supera

i limiti fisiologici di escursione articolare, e che avviene spesso in incidenti in cui il soggetto

traumatizzato subisce tamponamento violento. Quando l’autovettura viene tamponata il sedile e il

conducente subiscono una forte accelerazione che li proietta in avanti. Il peso del capo tende per

inerzia a conservare la sua posizione iniziale e, mentre il resto del corpo viene spinto in avanti, la

testa viene pressata contro il poggiatesta (danno da iperestensione). Successivamente il capo viene

proiettato in avanti con una velocità superiore rispetto al resto del corpo (danno da iperflessione).

E’ fondamentale in questo genere di trauma del collo, che gli airbag siano efficienti, e che i

poggiatesta siano opportunamente regolati, così da limitare perlomeno i danni da iperflessione e

iperestensione.

Gli studi sul colpo di frusta sono stati effettuati sia in scimmie, sia in maiali, in quanto entrambi

hanno caratteristiche della colonna vertebrale simili alla nostra, e inoltre i maiali hanno anche simile

resistenza strutturale e elasticità.

Legge di Starling:

La legge del cuore di Starling stabilisce che il lavoro eseguito da ciascun ventricolo è funzione della

lunghezza delle fibre di esso a fine diastole (telediastole).

Per cui quanto più il volume telediastolico è elevato, tanto più le fibre sono stirate e, purchè la loro

lunghezza non superi una lunghezza critica, tanto più sono in grado di contrarsi e quindi di spingere

il sangue nel ventricolo dell’aorta.

Più sangue sarà entrato, più ne sarà eiettato, garantendo l’equilibrio tra il ritorno venoso e la gittata

cardiaca.

Caratteristiche meccaniche dell’osso:

Le caratteristiche meccaniche dell’osso sono:

modulo di Young (modulo elastico);

• misura della rigidezza;

• valutazione tensione e deformazione;

• stadio del comportamento a fatica, e dei limiti;

Queste caratteristiche possono essere studiate in vivo o in vitro, e i principali metodi usati, ad

esempio per caratterizzare il modulo di Young, sono:

• PROVE MECCANICHE: in cui provini di osso vengono sollecitati in trazione,

compressione, torsione e flessione. Questi provini sono connessi ad estensimetri elettrici, i

quali rilevano le e le subite dall’osso e le inseriscono nel diagramma tensioni

deformazioni, per verificare il comportamento dell’osso sotto sollecitazioni.

Queste prove vengono sempre eseguite su provini in quanto sono sovente distruttive.

• PROVE CON ULTRASUONI: sono prove effettuate in vivo su ossa esposte come tibia e

rotula, e non sono distruttive. Queste si basano sulla relazione che lega la velocità del suono

in un materiale e le sue proprietà elastiche: .

Si possono sfruttare inoltre le emissioni acustiche dell’osso sotto carico, fondamentali per

rilevare le microfratture. Queste emissioni indicano la graduale progressione della cricca

man mano che si avvicina al punto di rottura.

• PROVE DENSITOMETRICHE: sono prove che permettono di ricavare, a partire dalla

densità, il modulo elastico di un materiale o la sua tensione di rottura attraverso opportune

relazioni. 2

Sono noti i valori del modulo di Young per l’osso spongioso (E = 0.3 GN/m ) e per l’osso corticale

2

(E = 11 GN/m ).

Woolf+prove+critiche:

LEGGE DI WOLFF: <sotto carico e in seguito ad alterazioni patologiche della forma

• esterna degli elementi ossei, la trasformazione dell’architettura dell’osso segue leggi

matematiche>.

Egli sostiene quindi che la distribuzione e l’orientazione delle trabecole si altera al

variare della storia di carico.

Nel 1982 poi elabora due ipotesi fondamentali:

1. teoria generale della trasformazione ossea: “ad ogni variazione dei requisiti funzionali

corrisponde una variazione architetturale del tessuto osseo”;

2. teoria traiettoriale dell’osso: “la distribuzione e la direzione delle trabecole ossee si

altera dinamicamente al variare della storia di carico esterna e in condizioni di equilibrio

l’organizzazione delle trabecole riflette la storia di carico media a cui quel volume di

tessuto osseo è soggetto”.

Sono stati condotti degli esperimenti che si possono classificare in due gruppi:

1. Quelli tesi a indurre ipertrofia o deposizione;

Condizione in cui c’è un carico maggiore rispetto alle condizioni fisiologiche, che porta

a far addensare l’osso.

Gli esperimenti sull’ipertrofia ossea sono sostanzialmente 2:

- chirurgica; caso in cui l’alterazione del carico fisiologico avviene o per alterazione

chirurgica dell’anatomia (tipicamente osteomizzando, cioè inducendo fratture, su una

delle ossa lunghe accoppiate, come radio/ulna o tibia/perone, in modo che l’altra debba

ricevere tutto il carico normalmente condiviso);

- non chirurgica; caso in cui l’alterazione del carico fisiologico questa volta avviene

mediante l’inserzione di dispositivi simili a fissatori esterni, i quali impongono al

segmento osseo storie di carico esterne controllate.

Quelli tesi a produrre atrofia o riassorbimento;

Condizione in cui c’è un carico inferiore rispetto alle condizioni fisiologiche, che porta a far

assorbire l’osso.

Gli esperimenti sull’atrofia ossea sono sostanzialmente basati su 3 tecniche:

- permanenza a letto; in sei soggetti adulti, in uno studio svoltosi in vista di missioni

spaziali, si è verificata una perdita percentuale del contenuto minerale del calcagno dopo

dodici settimane di permanenza a letto.

- assenza di gravità;

- immobilizzazione; in un esperimento basato sulla zampa anteriore destra di cani si è

verificata una riduzione percentuale dell’area trasversale del terzo metacarpale di cane

dopo 40 settimane di immobilizzazione incompleta.

Si può quindi affermare che:

Quando un segmento osseo di supporto viene esposto a livelli di sollecitazione

• significativamente diversi da quelli fisiologici esso reagisce con variazioni di massa

tissutale legate alla variazione di carico imposta;

In esperimenti di lunga permanenza a letto è stato osservato che le ossa più sollecitate

• in condizioni fisiologiche tendono a demineralizzarsi maggiormente. (un’eccezione si

ha nel caso di timpani della balene o corna dei cervi, che pur non venendo sollecitate

per lunghi periodi non mostrano fenomeni di atrofia).

LANYON e RUBIN pubblicarono i loro lavori tra il 1984 e il 1985, e:

Critica sull’atrofia: i critici osservano che nessuno degli esperimenti mostra qualsiasi

• correlazione tra il livello di riduzione del carico e l’atrofia osservata, ma mostrano come

sia più ragionevole un meccanismo di tipo on/off secondo il quale al di sotto di una

certa soglia di sollecitazione meccanica, il tessuto inizi un processo di atrofizzazione

(pur non conoscendo quale sia il limite). Quindi non necessariamente solo

l’eliminazione del carico causa atrofia, ma anche solo la riduzione del carico.

Critica sull’ipertrofia: i risultati più netti sono forniti da esperimenti che prevedono

• manipolazione chirurgica, ma la stessa manipolazione produce effetti di ipertrofia. Per

cui ad esempio Churches osservò ipertrofia diafisiaria in pecore a cui era stato

applicato chirurgicamente il fissatore esterno senza sollecitarle con esso

meccanicamente. La semplice inserzione di un filo d’acciaio nella cavità midollare può

dare risposte ipertrofiche periostali con deposizione di tessuto osseo simile al callo

osseo. Quindi si può avere ipertrofia anche solo con l’inserzione del fissatore esterno,

senza dover necessariamente sollecitare il soggetto dopo averlo messo.

Vennero fatti anche altri esperimenti in critica agli esperimenti che convalidavano la

legge di Wolff, e cioè Woo condusse uno studio su un gruppo di giovani suini

sottoposti ad un intenso programma giornaliero di corsa. Al termine di questo i suini

mostrarono un netto inspessimento della diafisi femorale, rispetto ad altri maiali

mantenuti in regime sedentario. Pur sembrando una prova in favore alla legge di Wolff,

non si spiega il fatto che:

- i suini erano giovani quindi in fase di accrescimento osseo, quindi si potrebbe non

essere in presenza di rimodellamento osseo, ma di MODELLAMENTO osseo;


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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria biomedica
SSD:
A.A.: 2018-2019

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher martycodro di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Bioingegneria meccanica e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Torino - Polito o del prof Bignardi Cristina.

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