La biomeccanica dell’anca

Redattrice – Ewa Jaraczewska sulla base del corso di Rina Pandya

Principali contributoriEwa Jaraczewska, Jess Bell e Rucha Gadgil

Introduzione(edit | edit source)

“La biomeccanica è semplicemente la fisica (meccanica) del movimento manifestato o prodotto dai sistemi biologici. Più specificamente, la biomeccanica è un campo di studio altamente integrato che esamina le forze che agiscono su e all’interno di un corpo così come quelle prodotte da un corpo”.(1)

Quando si parla di biomeccanica dell’articolazione dell’anca, bisogna considerare come le ossa, i legamenti e i muscoli trasferiscono il peso del corpo dallo scheletro assiale all’arto inferiore.(2)

Carico statico( edit | edit source )

Modello di Koch( edit | edit source )

Koch è stato il primo ad introdurre il modello statico di biomeccanica dell’anca. Secondo la sua teoria, tra il braccio di leva del corpo e il braccio di leva dei muscoli abduttori c’è un rapporto di 2:1. Ciò significa che in appoggio monopodalico, il medio gluteo deve generare due volte la forza del peso corporeo per mantenere l’equilibrio ed impedire che il corpo si inclini verso il lato non supportato. In questo modello, il medio gluteo è l’unico muscolo che oppone resistenza ai carichi esercitati sul femore. Koch ha proposto che il medio gluteo trasforma questi carichi in carichi di trazione sulla faccia laterale del femore sotto all’attacco del medio gluteo e in carichi di compressione sulla faccia laterale del terzo distale del femore. Si è notato, tuttavia, che la dichiarazione originale di Koch non spiegava bene come il carico di trazione fosse convertito in carico di compressione nella parte distale del femore.(3)

Appoggio bipodalico( edit | edit source )

Nei neonati e fino all’età di quattro anni, l’angolo collo-diafisi del femore ha un valore di circa 160-165 gradi.(4) La postura eretta continua a ridurre questo angolo fino a quando raggiunge un angolo di 130-135 gradi. Rimane quindi invariata durante il processo di sviluppo corporeo e di crescita ossea, nonostante la quantità di tempo che gli esseri umani trascorrono in posizione eretta e il fatto che la massa corporea continui ad aumentare.(5)

In appoggio bilaterale, il centro di gravità si trova tra le due anche, con una forza uguale esercitata su entrambe le anche. Il centro di gravità dell’organismo si trova un centimetro davanti al primo segmento sacrale.(5) La gravità influisce sulle estremità inferiori in direzione verticale. In queste condizioni di carico, il peso del corpo meno quello di entrambe le gambe è sostenuto in egual misura dalle teste dei femori.(5)

(6)

Il tessuto osseo risponde a diverse esigenze, comprese quelle influenzate dall’ambiente. Risposte specifiche includono lo sviluppo di un osso ipertrofico o atrofico o un’alterazione della qualità dell’osso nelle aree di carico di compressione (osso corticale) o di trazione (osso spongioso).(5)

La stabilità dell’articolazione dipende da:(5)

  • Geometria articolare: stabilità dell’anca, del ginocchio e della caviglia
  • Integrità dei tessuti molli: stabilità degli elementi dinamici (muscoli, tendini, fascia) e statici (legamenti). In risposta alle richieste, le strutture dinamiche regolano la propria lunghezza. Le strutture statiche diventeranno tese in estensione da un lato e, allo stesso modo, tese in flessione dall’altro.(5)

Modelli statici e dinamici della produzione di forza degli adduttori dell’anca (da Warrener AG et al.)

Appoggio monopodalico( edit | edit source )

In appoggio monopodalico, si verifica quanto segue:(7)

  • Il centro di gravità si sposta distalmente e si allontana dalla gamba d’appoggio
  • La gamba non portante diventa parte della massa corporea che agisce sull’anca portante
  • La forza verso il basso esercita un movimento rotatorio intorno al centro della testa del femore
  • Gli abduttori, che comprendono le fibre superiori del grande gluteo, il tensore della fascia lata, il medio e piccolo gluteo, il piriforme e l’otturatore interno, controbilanciano l’azione dei muscoli resistendo alla rotazione della testa del femore. In questo modo si crea un momento intorno al centro della testa del femore
  • La leva degli adduttori è più corta del braccio di leva del peso corporeo. Pertanto, la forza combinata degli abduttori deve essere multipla rispetto al peso corporeo (in genere tre volte il peso corporeo), il che corrisponde a un rapporto di leva di 2,5

Per le persone con un bacino largo e un collo del femore corto sono necessarie forze d’anca maggiori. Queste persone hanno un rapporto di braccio di leva maggiore e, quindi, richiedono un aumento della forza dei muscoli adduttori. Questi soggetti tendono ad essere ad alto rischio di patologie dell’anca, comprese le condizioni artritiche.(5) Tuttavia, uno studio di Warrener et al.(8) ha rilevato che la larghezza del bacino non predice la meccanica degli abduttori dell’anca o il dispendio della locomozione né nelle donne né negli uomini.

Esempi di posture che indicano un aumento del braccio di leva ed un diminuzione nella forza di abduzione dell’anca:(7)

  • In posizione supina le gambe “cadono”.
  • In posizione seduta con le caviglie incrociate, il grande addome del paziente forza le anche in abduzione e rotazione esterna con le ginocchia “che sbucano in fuori”.

Forze congiunte all’anca( edit | edit source )

I valori medi dei carichi sull’articolazione dell’anca, misurati in soggetti che si sono sottoposti a una protesi totale dell’anca, erano i seguenti:

  • Camminare a circa 4 km/h: il 238% del peso corporeo (da 160 a 330% del peso corporeo)(9)(10)
  • Scendere le scale: da 108% a 260% del peso corporeo(11)
  • Salire le scale: il 251% del peso corporeo(10)
  • Dalla stazione eretta alla stazione seduta su una sedia: il 40% del peso corporeo(11)
  • In stazione eretta: il 32% del peso corporeo
  • In appoggio monopodalico: da 230 a 290% del peso corporeo (9)

Nota bene: “l’inciampare o i periodi di instabilità in appoggio monopodalico possono generare forze risultanti superiori di otto volte il peso corporeo”.(12)

I numeri sopra riportati indicano che la sollecitazione maggiore sull’articolazione dell’anca si verifica camminando e scendendo le scale. Sviluppo di una patologia dell’anca, ad esempio l’osteoartrite può essere prevista quando queste attività vengono svolte in modo ripetitivo e/o in condizioni errate. (11)

Modello dinamico di biomeccanica dell’anca( edit | edit source )

Secondo Koch,(3) per mantenere la stabilità dell’anca in appoggio monopodalico, il medio gluteo deve generare due volte la forza del peso corporeo. Tuttavia, sulla base di dati differenti relativi alla dinamica dell’anca e di un modello completo di stabilità, si è concluso che la bandelletta ileotibiale (ITB) svolge un ruolo significativo nel mantenimento della stabilità dell’anca. Le seguenti osservazioni supportano questa teoria:(5)

  • Il medio gluteo è meno attivo nella fase intermedia di appoggio del passo
  • La bandelletta ileotibiale funge da banda di tensione per alleviare la domanda metabolica e ridurre l’attività elettrica del medio gluteo durante la fase intermedia di appoggio del passo
  • I pazienti con amputazioni al di sotto del ginocchio presentano una funzione compromessa della bandelletta ileotibiale come stabilizzatore dell’articolazione dell’anca a causa della perdita del suo attacco distale(5)

Rilevanza clinica( edit | edit source )

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Anca dolorosa( edit | edit source )

La gestione del dolore all’anca deve prevedere una riduzione della forza di reazione dell’articolazione. Può essere realizzata attraverso le seguenti modalità:

  • Riduzione della massa corporea
  • Aumento della forza degli abduttori
  • Diminuzione del braccio di leva avvicinando il baricentro al centro della testa del femore:
    • Zoppicando
    • Utilizzando un bastone nella mano opposta – questo riduce la forza di reazione dell’articolazione del 50% quando circa il 15% del peso corporeo viene applicato al bastone.(13)

Quando una persona utilizza un bastone come sostegno, la forza di reazione dell’articolazione si riduce perché “la forza di reazione tra il bastone e il terreno agisce a una distanza molto maggiore dal centro dell’anca rispetto ai muscoli abduttori”.(13) Anche quando viene applicato un piccolo carico attraverso il bastone, il paziente è in grado di ridurre la richiesta dei muscoli abduttori per mantenere la stabilità dell’articolazione durante la deambulazione.(13)

Salire le scale( edit | edit source )

Quando salgono le scale, i pazienti affetti da osteoartrosi dimostrano:(14)

  • Limitata escursione di movimento dell’anca in tutti e tre i piani: sagittale, trasversale e frontale.
  • Riduzione del picco nel momento di rotazione esterna dell’anca

Quando scendono le scale, questi pazienti dimostrano:

  • Aumento dell’inclinazione omolaterale del tronco
  • Riduzione del range di movimento nel piano sagittale
  • Riduzione del picco esterno nel momento di estensione
  • Riduzione del picco esterno nel momento di rotazione
  • Aumento del momento di adduzione d’anca
  • Aumento dell’impulso nel momento di adduzione d’anca
  • Aumento dell’impulso nel momento di rotazione interna(14)

L’approccio fisioterapico per migliorare il movimento sulle scale nelle persone affette da osteoartrosi può comprendere:

  • La TENS come opzione per ridurre l’onere legato all’OA del ginocchio negli stadi iniziali(15)
  • Rinforzo muscolare per migliorare la massa muscolare dell’anca. Questo dato è risultato correlato positivamente con le prestazioni di movimento sulle scale e di trasferimento dalla stazione eretta a quella seduta su una sedia.(16)
  • Prescrizione dell’allenamento della resistenza per i pazienti con osteoartrosi d’anca da moderata a grave. Può migliorare la capacità di resistenza degli estensori del ginocchio, che svolgono un ruolo importante nelle funzioni quotidiane.(17)

Amputazione dell’estremità inferiore( edit | edit source )

I pazienti con un’amputazione sopra il ginocchio presentano uno schema del passo di Trendelenburg, nonostante abbiano abduttori dell’anca intatti. Tuttavia, in questo gruppo di pazienti, il medio gluteo non è in grado di fornire un’adeguata stabilità dell’anca durante la deambulazione, a causa della perdita dell’azione della bandelletta ileotibiale nel fornire ulteriore stabilità all’articolazione.

Il trattamento può includere la tecnica chirurgica della tenodesi dell’ITB e delle strutture laterali dei tessuti molli fino al femore distale.(5)

Risorse(edit | edit source)

  1. Zaghloul A, Elalfy MM. Hip Joint: Embryology, Anatomy and Biomechanics. Biomed J Sci & Tech Res, 2018 12(3).
  2. Hip Biomechanics https://www.orthobullets.com/recon/9064/hip-biomechanics

Citazioni(edit | edit source)

  1. McLester J, Pierre PS. Applied Biomechanics. Jones & Bartlett Learning; 2019 Mar 8.
  2. Van Houcke J, Khanduja V, Pattyn C, Audenaert E. The history of biomechanics in total hip arthroplasty. Indian Journal of Orthopaedics. 2017 Aug;51(4):359-67.
  3. 3.0 3.1 Fetto J, Leali A, Moroz A. Evolution of the Koch model of the biomechanics of the hip: a clinical perspective. J Orthop Sci. 2002;7(6):724-30.
  4. Feger J. Femoral neck-shaft angle. Reference article, Radiopaedia.org. (accessed on 07 Mar 2022) https://doi.org/10.53347/rID-81120
  5. 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 Fetto JF. A dynamic model of hip joint biomechanics: The contribution of soft tissues. Advances in Orthopedics. 2019 Jun 4;2019.
  6. Mock FRCS Cardiff. Free body diagram hip. 2016. Available from: https://www.youtube.com/watch?v=H0SoMQ_L7-k (last accessed 27/02/2022)
  7. 7.0 7.1 Pandya R. Biomechanics of the Hip Course. Physioplus. 2022.
  8. Warrener AG, Lewton KL, Pontzer H, Lieberman DE. A wider pelvis does not increase locomotor cost in humans, with implications for the evolution of childbirth. PLoS One. 2015 Mar 11;10(3):e0118903.
  9. 9.0 9.1 Rydell NW. Forces acting on the femoral head prosthesis. A study on strain gauge supplied prostheses in living persons. Acta Orthop Scand. 1966;37:Suppl 88:1-132.
  10. 10.0 10.1 Bergmann G, Deuretzbacher G, Heller M, Graichen F, Rohlmann A, Strauss J, Duda GN. Hip contact forces and gait patterns from routine activities. J Biomech. 2001 Jul;34(7):859-71.
  11. 11.0 11.1 11.2 Luepongsak N, Amin S, Krebs DE, McGibbon CA, Felson D. The contribution of type of daily activity to loading across the hip and knee joints in the elderly. Osteoarthritis Cartilage. 2002 May;10(5):353-9.
  12. Bergmann G, Deuretzbacher G, Heller M, Graichen F, Rohlmann A, Strauss J, Duda GN. Hip contact forces and gait patterns from routine activities. J Biomech. 2001 Jul;34(7):859-71.
  13. 13.0 13.1 13.2 Lim LA, Carmichael SW, Cabanela ME. Biomechanics of total hip arthroplasty. The Anatomical Record: An Official Publication of the American Association of Anatomists. 1999 Jun 15;257(3):110-6.
  14. 14.0 14.1 Hall M, Wrigley TV, Kean CO, Metcalf BR, Bennell KL. Hip biomechanics during stair ascent and descent in people with and without hip osteoarthritis. Journal of Orthopaedic Research. 2017 Jul;35(7):1505-14.
  15. Iijima H, Eguchi R, Shimoura K, Yamada K, Aoyama T, Takahashi M. Transcutaneous electrical nerve stimulation improves stair climbing capacity in people with knee osteoarthritis. Scientific reports. 2020 Apr 29;10(1):1-9.
  16. Bieler T, Kristensen AL, Nyberg M, Magnusson SP, Kjaer M, Beyer N. Exercise in patients with hip osteoarthritis–effects on muscle and functional performance: A randomized trial. Physiotherapy Theory and Practice. 2021 May 8:1-2.
  17. Burgess LC, Taylor P, Wainwright TW, Swain ID. Strength and endurance deficits in adults with moderate-to-severe hip osteoarthritis, compared to healthy, older adults. Disability and Rehabilitation. 2021 Jun 20:1-8.


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