Dottorato di Ricerca in Bioingegneria XX CICLO BIOMECHANICAL MODELLING OF HUMAN KNEE DURING LIVING ACTIVITIES (MODELLAZIONE BIOMECCANICA DEL GINOCCHIO DURANTE ATTIVITA' MOTORIE QUOTIDIANE)

Autore Luigi, Bertozzi Coordinatore, Cappello Angelo, Supervisore, Cappello Angelo, Rita Correlatore, Stagni
unpublished
Italian Version L'articolazione di ginocchio è una struttura chiave del sistema locomotore umano. Conoscere come ogni singola struttura anatomica contribuisce a determinare la complessa funzione biomeccanica del ginocchio è di fondamentale importanza per lo sviluppo di nuove protesi e di innovative procedure cliniche, chirurgiche e riabilitative. In questo contesto, l'utilizzo di un approccio modellistico è l'unico modo possibile per quantificare la funzione biomeccanica di ogni singola
more » ... a anatomica in condizioni fisiologiche, come ad esempio stimare la forza prodotta dai legamenti crociati durante l'esecuzione di compiti motori quotidiani. Lo scopo principale di questo studio è stato ottenere un modello di ginocchio altamente specifico di un soggetto selezionato utilizzando tecniche diagnostiche per immagini, come risonanza magnetica e video-fluoroscopia. Utilizzando accurate geometrie ossee e cinematiche articolari acquisite sperimentalmente dal soggetto considerato, sono stati sviluppati modelli 3D dei legamenti crociati e del contatto articolare tra tibia e femore. Nel modello dei legamenti crociati, ognuno dei due legamenti è stato modellato tramite l'utilizzo di 25 elementi elastici-lineari disposti considerando la naturale torsione anatomica delle fibre. Nel modello sviluppato si è cercato di raggiungere il più alto livello di specificità al soggetto possibile. Infatti, ogni singola molla è stata geometricamente caratterizzata utilizzando dati sperimentali provenienti dal soggetto selezionato, mentre l'unico parametro meccanico del modello, il modulo elastico, è stato considerato da dati sperimentali riportati in letteratura a causa delle misure invasive necessarie per quantificarlo nel soggetto selezionato. Una volta implementato, il modello è stato utilizzato simulando test di stabilità e imponendo i compiti motori eseguiti dal soggetto. I risultati ottenuti sono sempre stati fisiologicamente significativi. Tuttavia, la mancanza di un valore del modulo elastico proveniente dal soggetto selezionato ha generato la necessità di sviluppare una metodologia sperimentale per caratterizzare la meccanica dei legamenti crociati in soggetti viventi e senza misure dirette ed invasive. Utilizzando i medesimi dati geometrici e cinematici, sono stati anche implementati due modelli per la valutazione del contatto tibio-femorale, uno finalizzato alla stima dell'area di contatto in posizioni statiche (massima estensione con e senza peso corporeo), ed uno finalizzato alla valutazione della posizione del punto di contatto durante i compiti motori eseguiti dal paziente. Questi due diversi approcci sono stati implementati e testati valutando i pro e i contro di ognuno in modo da suggerirne il corretto ambito di utilizzo e possibili miglioramenti futuri. Il risultato finale di questo studio contribuirà allo sviluppo di avanzate metodologie per la valutazione in-vivo della funzione/patologia dell'articolazione di ginocchio, anche durante compiti motori della vita quotidiana. Le metodologie sviluppate saranno così di notevole utilità per lo sviluppo di nuove protesi, strumenti e procedure sia nel campo della ricerca che in campo clinico, chirurgico e riabilitativo. ii iii Abstract The knee joint is a key structure of the human locomotor system. The knowledge of how each single anatomical structure of the knee contributes to determine the physiological function of the knee, is of fundamental importance for the development of new prostheses and novel clinical, surgical, and rehabilitative procedures. In this context, a modelling approach is necessary to estimate the biomechanic function of each anatomical structure during daily living activities. The main aim of this study was to obtain a subject-specific model of the knee joint of a selected healthy subject. In particular, 3D models of the cruciate ligaments and of the tibio-femoral articular contact were proposed and developed using accurate bony geometries and kinematics reliably recorded by means of nuclear magnetic resonance and 3D video-fluoroscopy from the selected subject. Regarding the model of the cruciate ligaments, each ligament was modelled with 25 linear-elastic elements paying particular attention to the anatomical twisting of the fibres. The devised model was as subject-specific as possible. The geometrical parameters were directly estimated from the experimental measurements, whereas the only mechanical parameter of the model, the elastic modulus, had to be considered from the literature because of the invasiveness of the needed measurements. Thus, the developed model was employed for simulations of stability tests and during living activities. Physiologically meaningful results were always obtained. Nevertheless, the lack of subject-specific mechanical characterization induced to design and partially develop a novel experimental method to characterize the mechanics of the human cruciate ligaments in living healthy subjects. Moreover, using the same subject-specific data, the tibio-femoral articular interaction was modelled investigating the location of the contact point during the execution of daily motor tasks and the contact area at the full extension with and without the whole body weight of the subject. Two different approaches were implemented and their efficiency was evaluated. Thus, pros and cons of each approach were discussed in order to suggest future improvements of this methodologies. The final results of this study will contribute to produce useful methodologies for the investigation of the in-vivo function and pathology of the knee joint during the execution of daily living activities. Thus, the developed methodologies will be useful tools for the development of new prostheses, tools and procedures both in research field and in diagnostic, surgical and rehabilitative fields. iv v
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