Lo sviluppo e la valutazione di un in

Nov 11, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4423 (2023) Citare questo articolo

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Lo scopo del presente studio era quello di sviluppare un nuovo simulatore attivo di spalla in vitro per emulare tutte le forme di movimenti gleno-omerali planari e non planari con simulazione muscolare attiva su campioni di cadavere o modelli di spalla e valutarne criticamente le prestazioni. È stato sviluppato un simulatore fisiologico della spalla, guidato utilizzando la forza muscolare simulata, per realizzare dinamicamente un controllo cinematico accurato in tutti e tre i gradi di libertà di rotazione (DOF) entro i limiti cinetici fisiologici. L'algoritmo di controllo del simulatore è stato implementato utilizzando tre circuiti di controllo indipendenti che corrono paralleli, che regolano le forze dei singoli muscoli nel rispetto del DOF e lavorano in modo asincrono in sequenze disparate adattate a movimenti specifici (abduzione, flessione/estensione e rotazione). Sono stati utilizzati tre campioni cadaverici per valutare le prestazioni cinematiche e cinetiche del simulatore durante i movimenti simulati. Elevata precisione cinematica (deviazione media massima ≤ 2,35° e RMSE 1,13°) e ripetibilità (SD massima e media di ≤ 1,21° e 0,67°) sono state osservate in tutti e tre i DOF rotazionali studiati. L'affidabilità di tutte le forze muscolari individuali attivate nel simulatore durante i movimenti planari e non planari era generalmente eccellente, con gli IC al 95% delle stime ICC > 0,90 per la maggior parte dei casi (30/36). È stato sviluppato e valutato un nuovo simulatore di spalla con simulazione muscolare attiva. La sua capacità di riprodurre la cinematica e la cinetica in un intervallo fisiologico per tutto il DOF è stata valutata sistematicamente per molteplici variabili di risultato cinetiche e cinematiche. Il simulatore presentato è un potente strumento per studiare la biomeccanica delle articolazioni della spalla fisiologiche e patologiche e per valutare vari interventi chirurgici. L'acquisizione di dati affidabili sulla cinetica articolare e sulla cinematica traslazionale durante i movimenti attivi è fondamentale per valutare le patologie della spalla e i trattamenti appropriati. Forniamo un esclusivo simulatore fisiologico della spalla attivato dai muscoli, che consente l'acquisizione completa di dati cinematici e cinetici articolari durante ripetuti movimenti planari e non planari realistici.

Rispetto all'anca, l'altra grande articolazione sferica umana, l'articolazione gleno-omerale è caratterizzata da una geometria unica con congruenza limitata e un'articolazione relativamente non vincolata. Ciò consente un'ampia gamma di movimenti, per cui la stabilità è fornita dagli stabilizzatori passivi delle strutture capsulari e legamentose nonché dagli stabilizzatori attivi della cuffia dei rotatori e dei gruppi muscolari deltoidi1 In parte grazie alla sua struttura anatomica distintiva e alla stabilizzazione attiva, la spalla è suscettibile a lesioni, inclusa instabilità, rottura della cuffia dei rotatori, rottura del labbro e distorsione del legamento capsulare2,3,4 Pertanto, quando si studiano le patologie della spalla e il loro trattamento sperimentalmente mediante simulatori biomeccanici, la rappresentazione dell'anatomia e della funzione degli organi attivi e gli stabilizzatori passivi sono essenziali.

L’acquisizione di dati affidabili sulla cinetica articolare e sulla cinematica traslazionale, specialmente durante il movimento non planare, è difficile se non impossibile in vivo, ma comunque fondamentale per valutare gli effetti funzionali delle patologie della spalla e dei trattamenti proposti o applicati. I test biomeccanici sperimentali (in vitro) possono integrare le conoscenze acquisite con test clinici come il test Lift-Off e i test di iperestensione-rotazione interna (HERI) per diagnosticare l'instabilità anteriore/inferiore, l'analisi cinetica per studiare gli effetti di rotture massicce della cuffia dei rotatori, e i test funzionali per valutare l'artroplastica totale inversa della spalla5,6,7 Pertanto, nonostante lo studio della biomeccanica della spalla in vivo sia generalmente la fonte di informazioni più importante, le difficoltà nell'ottenere direttamente dati cinematici e di altro tipo rappresentano una seria limitazione. I modelli di cadaveri in vitro offrono il vantaggio di applicare metodi di tracciamento e misurazione invasivi e di alterazione e manipolazione dell'articolazione con il vantaggio di conservare gran parte dell'anatomia nativa. Pertanto negli ultimi decenni sono stati costruiti diversi simulatori di spalla passivi e attivi con l'obiettivo di simulare la cinematica fisiologica e patologica e identificare i contributori significativi8,9,10,11,12. L'uso dei simulatori di spalla passivi senza simulazione muscolare attiva è in gran parte limitato per ricercare domande associate alla stabilizzazione dei tessuti molli dell'articolazione. Tuttavia, studi precedenti hanno illustrato l’importanza della muscolatura nel creare e mantenere la stabilità gleno-omerale durante il movimento articolare attivo. Per questo motivo, sono stati progettati simulatori attivi della spalla con lo scopo di rappresentare i muscoli periarticolari con l'obiettivo di riprodurre realisticamente il movimento articolare dinamico.13,14 Un primo modello rappresentativo di un simulatore guidato dai muscoli è stato sviluppato da Wuelker et al. nel 1995, che ha realizzato un'abduzione affidabile e dinamica della spalla mediante l'attivazione muscolare tramite cilindri idraulici, ai quali la cuffia dei rotatori e i muscoli deltoidi erano collegati tramite cavi d'acciaio con ulteriori sensori di forza sospesi nel mezzo. Inoltre, furono utilizzati sensori a ultrasuoni per registrare la cinematica del braccio10,15 Anche se rappresentava un grande progresso rispetto ad altri simulatori dell'epoca, il movimento simulato era limitato all'abduzione e le forze muscolari venivano aumentate linearmente con rapporti costanti di attivazione relativa che non tengono conto il forte comportamento non lineare della muscolatura. Il movimento attivo in tutti e tre i gradi di libertà rotazionali (DOF) (ad esempio abduzione attiva, flessione e rotazione) è stato ottenuto per la prima volta in un simulatore raffinato con feedback cinematico in tempo reale e controllo cinetico a circuito chiuso da Giles et al.16 Tuttavia, la sua capacità era limitata a eseguire movimenti DOF secondari (ad esempio, piano di elevazione e rotazione assiale) a piccoli angoli di abduzione (< 15°) e movimenti complessi non planari in DOF multipli. A differenza di Wuelker et al., i gruppi di lavoro attorno a Kedgley e Giles utilizzavano attuatori pneumatici a basso attrito controllati da aria compressa tramite regolatori di pressione proporzionali. Per registrare la cinematica sono stati utilizzati rispettivamente un sistema di tracciamento elettromagnetico e uno ottico. Pertanto, nonostante alcuni notevoli progressi, ad oggi non è disponibile alcun modello di spalla in vitro che consenta un’emulazione completa della cinematica e della cinetica articolare durante movimenti ripetuti planari e non planari.