Introduzione alla biomeccanica umana – Forze interne

Introduzione(edit | edit source)

Quando forze esterne agiscono su un segmento corporeo per produrre postura e movimento, le strutture interne di quel segmento corporeo reagiscono generando forze specifiche per contrastare le forze esterne e, in questo modo, creare la postura o il movimento desiderati.⁽¹⁾

La comprensione delle proprietà meccaniche di queste strutture interne consente ai fisioterapisti di valutare e prevenire le lesioni correlate al movimento.

Definizioni importanti(modifica|modifica sorgente)

Stress: la resistenza interna o forza interna per unità di superficie di un materiale contro gli effetti deformanti di una forza o di un carico esterno. La resistenza totale che ne risulta corrisponde al carico esterno.

Strain: il cambiamento o la deformazione relativa della forma di una struttura che accompagna lo stress. Il tessuto connettivo denso può presentare al microscopio, a riposo, una configurazione ondulata, chiamata “crimp”, che diminuisce con l’aumentare dello strain (deformazione).⁽²⁾

Proprietà viscoelastiche(modifica | modifica fonte)

Tessuto connettivo denso: presenta una proporzione relativamente elevata di fibre di collagene e contiene meno cellule e meno sostanza fondamentale rispetto al tessuto connettivo lasso. Una caratteristica fondamentale del tessuto connettivo denso sono le sue proprietà viscoelastiche. Queste proprietà permettono al tessuto di allungarsi temporaneamente e di tornare alla sua lunghezza originale dopo la rimozione del carico:

• Compliance: la capacità del tessuto connettivo denso di allungarsi temporaneamente
• Elasticità: la capacità del tessuto di tornare alla sua lunghezza originale dopo la rimozione del carico

Questi processi avvengono al limite fisiologico, dove la configurazione ondulata (crimp) della fibra di collagene corrispondente viene persa quando il tessuto connettivo denso viene allungato.⁽²⁾⁽³⁾ Pertanto, è importante tenere conto di questo limite fisiologico quando si allunga il tessuto connettivo denso, così come della curva stress-strain (si veda sotto), che fornisce indicazioni sul limite fisiologico del tessuto.⁽²⁾

Ulteriori informazioni sulle proprietà viscoelastiche del tessuto connettivo denso sono disponibili qui: Biomeccanica dei tendini.

Curva stress-strain(modifica|modifica sorgente)

La curva stress-strain è un diagramma che mostra come cambia lo stress quando il tessuto connettivo viene sottoposto a uno strain crescente (nota anche come curva carico-deformazione).

In base alla forza applicata a un tessuto specifico, la curva stress-strain può essere spiegata ricorrendo a quattro regioni o fasi specifiche del diagramma: 1. Regione iniziale, 2. Regione elastica, 3. Regione plastica, 4. Punto di cedimento definitivo.⁽²⁾

Nella regione iniziale della curva, il crimp delle fibre di collagene viene inizialmente perso. Durante la fase elastica, le fibre diventano gradualmente più lisce e si allungano (stretching) proporzionalmente alla forza applicata Nella fase plastica, la forza applicata al collagene provoca un cambiamento permanente (irreversibile) nella struttura del tessuto. Se questa forza continua oltre il limite elastico, il tessuto può lacerarsi nel suo punto di cedimento definitivo.⁽²⁾

Rilevanza della curva stress-strain nella pratica riabilitativa(modifica|modifica sorgente)

La riabilitazione articolare precoce dovrebbe concentrarsi sulla mobilizzazione del tessuto articolare all’interno della regione iniziale della curva sforzo-deformazione.⁽⁴⁾⁽⁵⁾ In questa fase, il rischio di traumi ai tessuti è basso, poiché viene ridotto soltanto il crimp. I meccanorecettori di tipo I-III sono maggiormente attivi in questa fase. Se la tensione sul tessuto connettivo aumenta al punto da attivare i recettori di tipo IV (cioè il dolore nocicettivo), la mobilizzazione articolare ha superato il limite fisiologico del tessuto.⁽⁴⁾

Il concetto di curva strain-stress è importante anche per comprendere i meccanismi fisici del tessuto connettivo denso, comprese le interazioni tra i suoi componenti durante l’allungamento e il trasferimento del carico su diverse scale di lunghezza del tessuto.^(5)(6)(7)

Sistema scheletrico umano(modifica | fonte edit)

Il sistema scheletrico è un sistema biomeccanico composto da parti rigide (cioè le ossa) collegate tra loro a livello delle articolazioni per consentire movimenti specifici. Il sistema scheletrico umano costituisce l’apparato di sostegno o sistema locomotore passivo (in contrapposizione alle componenti attive, come muscoli e tendini) ed è costituito da ossa, legamenti e articolazioni. I muscoli sono collegati alle ossa per generare forza e permettere i movimenti. Per comprendere il movimento umano, è importante conoscere le proprietà biomeccaniche dei vari elementi del sistema scheletrico.⁽⁸⁾

Proprietà biomeccaniche dell’osso(modifica | fonte edit)

L’osso è un tessuto connettivo altamente specializzato e metabolicamente attivo, che si ripara e si rimodella costantemente.⁽⁹⁾ È costituito da due tipi di tessuto osseo:

• Osso compatto o corticale: costituisce il bordo esterno dell’osso, è denso (5-30% poroso) e rigido⁽¹⁰⁾
• Ossa spugnoso o trabecolare: occupa lo spazio centrale all’interno dell’osso, è meno denso (90% poroso) rispetto all’osso corticale, ma molto più malleabile^(10)(11)

Le ossa presentano un’elevata resistenza alla compressione, alla trazione, alla viscoelasticità e al taglio. Grazie a queste proprietà biomeccaniche, lo scheletro umano è adatto a sostenere i carichi e a muovere i segmenti del corpo.

Proprietà biomeccaniche delle articolazioni umane(modifica | fonte edit)

Un’articolazione è l’area in cui si incontrano due o più ossa. Le articolazioni umane sono costituite da varie strutture, tra cui ossa, borse, capsule, cartilagini, legamenti, tendini e altri tessuti associati.

Le funzioni principali di un’articolazione sono consentire il movimento e la trasmissione delle forze. Queste funzioni hanno portato allo sviluppo di caratteristiche strutturali uniche.⁽²⁾

Classificazione delle articolazioni(modifica | fonte edit)

Esistono diversi modi per classificare le articolazioni. Alcune di queste classificazioni si basano sulla complessità dell’articolazione, sul numero di assi esistenti, sulla geometria dell’articolazione o sui gradi di libertà dell’articolazione. Dato che la biomeccanica umana comprende l’analisi dei movimenti del corpo e delle forze che li determinano (cioè la cinematica e la cinetica), è importante in questo contesto classificare innanzitutto le articolazioni in base al tipo.

Le articolazioni possono essere suddivise in tre categorie principali in base al tipo di articolazione:

1. Sinartrosi, ad esempio la sinfisi pubica, la sindesmosi tra tibia e perone e le connessioni tra le ossa del cranio nei bambini
2. Anfiartrosi, ad esempio l’articolazione sacroiliaca, le articolazioni intercarpali
3. Diartrosi, ad esempio l’articolazione della spalla (un’articolazione sferica) o le articolazioni interfalangee (articolazioni a cerniera)

Superfici articolari(modifica|modifica sorgente)

Il movimento di un’articolazione è in gran parte determinato dalla sua struttura, in particolare dalla forma delle superfici articolari. La classificazione tradizionale delle articolazioni sinoviali in base alla struttura comprende le seguenti categorie: articolazione sferoidale, trocoide, condiloidea, a ginglimo ed ellissoidale.⁽⁴⁾

Limitazioni nella descrizione anatomica delle articolazioni(modifica | fonte di modifica)

La classificazione anatomica delle articolazioni nè insufficiente per spiegare i dettagli più fini delle proprietà meccaniche di un’articolazione Tuttavia, questi dettagli possono essere altamente rilevanti per i professionisti della riabilitazione.⁽⁴⁾

• Le superfici articolari non sono sfere, ovali o ellissi perfette
• Ogni articolazione si discosta da una forma geometrica di base pura
• Esempio: un’articolazione diartrodiale a cerniera, come l’articolazione omero-ulnare, non consente un vero e proprio movimento a cerniera di flessione ed estensione, ma piuttosto un movimento a vite (elicoidale) che comporta una rotazione notevole.

I movimenti articolari sono stati tradizionalmente descritti come scivolamento, movimento angolare, rotazione e circonduzione. Tuttavia, questa descrizione non tiene conto dei movimenti che avvengono tra le superfici articolari.⁽⁴⁾ Pertanto, è importante classificare le articolazioni in base sia alle caratteristiche dei movimenti articolari tra le ossa, sia a quelle dei movimenti tra le rispettive superfici articolari. Questo ci porta al concetto di movimento osteocinematico e artrocinematico.

Osteocinematica e artrocinematica(modifica|fonte edit)

I termini movimento osteocinetico e movimento artrocinetico descrivono aspetti diversi del movimento cinematico.⁽¹²⁾

L’osteocinetica riguarda il movimento angolare che avviene tra le ossa a livello di un’articolazione. I movimenti sono descritti in base alla loro direzione, piano e asse di movimento.⁽¹²⁾ Possono essere misurati con un goniometro e comprendono flessione/estensione, abduzione/adduzione e rotazione interna/esterna Questi movimenti avvengono attorno a un asse meccanico dell’articolazione. L’asse meccanico si riferisce a una linea che attraversa l’osso in movimento, tocca il centro della superficie articolare relativamente stazionaria e giace perpendicolare a essa.

I movimenti artrocinematici sono anche chiamati movimenti accessori. Essi descrivono il movimento relativo delle superfici articolari l’una rispetto all’altra quando si verifica un movimento osteocinematico. I movimenti artrocinematici comprendono rotolamento (rolling), scorrimento (gliding) e rotazione (spin) e sono spesso riassunti con il termine “gioco articolare”.⁽¹²⁾

Il rotolamento (rolling) si verifica quando una superficie articolare si muove in relazione a un’altra superficie durante un movimento angolare. Il rotolamento avviene nella direzione del movimento osteocinematico. Durante il rotolamento, nuovi punti della superficie che rotola entrano in contatto con nuovi punti dell’altra superficie.⁽¹²⁾

Lo scorrimento o scivolamento (gliding/sliding) è il movimento traslatorio di una superficie articolare su un’altra superficie articolare. Questo significa che un punto della superficie articolare in movimento entra in contatto con molteplici punti dell’altra superficie articolare.⁽¹²⁾

La rotazione (spinning) è un movimento puramente rotatorio. Durante la rotazione, molteplici punti della superficie articolare in movimento entrano in contatto con un singolo punto della superficie articolare fissa.⁽¹²⁾

Per l’integrità articolare, si verifica tipicamente una combinazione di rotolamento e scorrimento.⁽¹²⁾ Quando la superficie articolare “A” rotola sulla superficie articolare opposta “B”, la superficie articolare “A” si muove attraverso diversi punti di contatto sulla corrispondente superficie opposta “B”. Per esempio, uno pneumatico deve rotolare attraverso diversi punti del terreno affinché si verifichi il movimento. Ma quando un singolo punto della superficie articolare in movimento entra in contatto con diversi punti della superficie opposta, questo viene chiamato scorrimento. Un’analogia sarebbe uno pneumatico che slitta sul ghiaccio. Lo pneumatico non ruota, ma si muove rispetto alla superficie stradale.

Implicazioni cliniche: un movimento articolare che avviene senza una normale artrocinematica può portare a un conflitto (impingement) o a una lussazione.⁽⁴⁾ I principi dell’osteocinematica e dell’artrocinematica sono importanti anche nel trattamento delle limitazioni della mobilità articolare. Ad esempio, è stato dimostrato che il trattamento dei pazienti con capsulite adesiva della spalla attraverso la mobilizzazione con movimenti angolari mirati (osteocinematici) porta a miglioramenti del dolore alla spalla, del range di movimento e della disabilità.⁽¹³⁾ Un altro studio ha mostrato che considerare l’osteocinematica nelle persone con distorsioni laterali della caviglia può contribuire a migliorare il range di movimento.⁽¹⁴⁾

Regola concavo-convesso(modifica | modifica sorgente)

Un concetto importante nell’artrocinematica è la regola concavo-convesso. Questa regola afferma che:

• quando una superficie concava si muove su una superficie convessa, il rotolamento e lo scorrimento devono avvenire nella stessa direzione
• quando una superficie convessa si muove su una superficie concava, il rotolamento e lo scorrimento avvengono in direzioni opposte

I professionisti clinici potrebbero applicare questo concetto per ripristinare i movimenti articolari limitati, considerando i movimenti di rotolamento e scorrimento insieme al tradizionale movimento anatomico dell’articolazione interessata.⁽⁴⁾

Esempio clinico: la flessione dell’articolazione gleno-omerale è limitata. I professionisti clinici devono considerare la flessione attiva o passiva (movimento angolare), oltre che lo scorrimento (glide) inferiore della testa dell’omero sulla glenoide: una riduzione dello scorrimento inferiore può contribuire a una limitazione della flessione La conoscenza della regola concavo-convesso aiuta quindi il fisioterapista a comprendere in quale direzione applicare le mobilizzazioni accessorie.⁽⁴⁾

Closed e open/loose-packed position(edit|edit source)

La stabilità articolare è la capacità di un’articolazione di resistere allo spostamento delle ossa articolanti. Sebbene la maggior parte delle articolazioni abbia superfici asimmetriche, tipicamente esiste una posizione in cui l’area di contatto è massima. Questa posizione è chiamata closed-packed o locked position; è la posizione di massima stabilità e congruenza articolare. In questa posizione, la capsula e i legamenti sono allungati al massimo e il movimento accessorio (gioco articolare) è limitato.

Qualsiasi movimento delle ossa dell’articolazione in direzione opposta alla posizione di blocco porta a una riduzione della stabilità e della superficie di contatto.⁽¹⁵⁾ L’opposto della closed-packed position è chiamato loose-packed (o open) position. La loose-packed position di un’articolazione è la posizione di minima congruenza articolare, in cui la capsula e i legamenti sono allentati e il movimento accessorio è al suo massimo.⁽¹⁶⁾

Applicazione del concetto di closed- e loose-packed position (modifica|modifica sorgente)

Questo concetto può essere applicato alla distrazione e alla compressione articolare. La distrazione si verifica quando le superfici articolari si allontanano; la compressione si verifica quando c’è un avvicinamento delle superfici articolari opposte. Il movimento verso una closed-packed position comporta un elemento di compressione, mentre il movimento in direzione opposta comporta una distrazione.

Hertling et al.⁽⁴⁾ osservano che il concetto di closed- e loose-packed position articolari aiuta i professionisti clinici a comprendere la stabilità articolare e a sapere quando applicare la distrazione o la compressione articolare durante il movimento.

Esempio clinico: la loose-packed position del ginocchio è a 25 gradi di flessione. Questo significa che il ginocchio è “sbloccato” e che i test, come i test di stress dei legamenti, possono essere eseguiti facilmente.⁽¹⁶⁾ La closed-pack position del ginocchio è in completa estensione.⁽¹⁶⁾

Flessibilità articolare(modifica | fonte edit)

Per i professionisti clinici, è importante comprendere che la flessibilità articolare è principalmente una funzione della relativa rigidità dei muscoli e dei legamenti che circondano l’articolazione. Quando questi tessuti non vengono utilizzati regolarmente per tutta la loro lunghezza, tendono ad accorciarsi.

I metodi per migliorare la flessibilità comprendono:

• stretching attivo
• stretching passivo
• stretching statico
• stretching dinamico
• facilitazione neuromuscolare propriocettiva (PNF)^(17)(18)

Tra questi approcci, la PNF è una delle tecniche più efficaci per allungare muscoli e legamenti. Questo perché tutti gli schemi PNF prevedono una sequenza di contrazione e rilassamento dei muscoli agonisti e antagonisti per ottenere un allungamento efficace.

Sistema muscolare(modifica|fonte edit)

I muscoli esercitano forze sulle ossa per produrre movimento a livello delle articolazioni.⁽¹⁹⁾ Una contrazione isometrica si verifica quando la forza applicata mira a mantenere una lunghezza costante. La forza utilizzata per accorciare un muscolo è chiamata contrazione concentrica. Infine, la forza utilizzata per allungare un muscolo è chiamata contrazione eccentrica.

• Nelle contrazioni muscolari concentriche viene eseguito un lavoro dinamico positivo
• Nelle contrazioni muscolari isometriche viene eseguito un lavoro statico
• Nelle contrazioni muscolari eccentriche viene eseguito un lavoro dinamico negativo

Tipi di fibre del muscolo scheletrico(modifica|fonte di modifica)

In una fibra muscolare scheletrica, il sarcomero è la più piccola unità contrattile. È il punto in cui un muscolo genera tensione attiva attraverso i ponti trasversali tra i filamenti di miosina e i filamenti di actina.⁽²⁰⁾ La velocità con cui viene generata la tensione dipende dal tipo di fibra muscolare. Le fibre muscolari scheletriche differiscono anche nella loro resistenza alla fatica. Le fibre muscolari sono classificate in tre tipi sulla base di queste differenze:

• Tipo I / A contrazione lenta o Slow-twitch (fibre ST)
• Tipo IIA / A contrazione rapida o Fast-twitch (fibre FR)
• Tipo IIB / A contrazione rapida o Fast-twitch (fibre FF)

Caratteristiche meccaniche del muscolo(modifica|fonte edit)

Esistono tre proprietà meccaniche del muscolo basate sulle variazioni della forza muscolare dovute alle differenze di velocità, lunghezza e tempo in relazione all’attivazione:

• Relazione forza-velocità
• Relazione forza-tempo
• Relazione forza-lunghezza

La relazione forza-velocità⁽²¹⁾ spiega come la forza di un muscolo completamente attivato cambia con la velocità. In un muscolo che si accorcia (movimento concentrico), la forza che il muscolo può generare diminuisce all’aumentare della velocità. Nei movimenti eccentrici, questa relazione è invertita.

La relazione forza-tempo descrive un ritardo temporale nello sviluppo della tensione. Questo ritardo può essere in parte causato da un ritardo nella stimolazione muscolare (stato attivo o dinamica dell’eccitazione). L’attivazione ripetuta delle fibre muscolari può causare un ritardo temporaneo nello sviluppo della tensione. Tuttavia, il tempo necessario per sviluppare la tensione dipende fortemente dallo sforzo cognitivo della persona, dall’allenamento, dal tipo di azione muscolare e dalla storia di attivazione del gruppo muscolare.

Controllo neuromuscolare del movimento(modifica|fonte edit)

La risposta meccanica dei muscoli dipende anche dal modo in cui vengono attivati. L’unità funzionale di base del controllo neuromuscolare comprende l’unità motoria, il reclutamento e la frequenza di attivazione (firing rate).

Un’unità motoria è costituita da un motoneurone e da tutte le fibre muscolari che esso innerva. Il reclutamento è l’attivazione di diverse unità motorie all’interno di un muscolo, mentre la frequenza di attivazione è la stimolazione ripetuta di una specifica unità motoria per un determinato periodo. Una contrazione muscolare tetanica è una contrazione muscolare sostenuta provocata quando un nervo motorio che innerva un muscolo scheletrico genera un potenziale d’azione a una frequenza molto elevata.

Il controllo neuromuscolare del movimento è una considerazione fondamentale nella progettazione dell’esercizio per le alterazioni neuromuscolari. Ad esempio, è stato riscontrato che le persone con lussazione anteriore della spalla, deficit meccanici e compromissione propriocettiva possono ottenere miglioramenti con esercizi neuromuscolari per l’instabilità della spalla.⁽²²⁾

Allo stesso modo, gli esercizi di controllo neuromuscolare possono migliorare l’instabilità durante i movimenti di pivot degli arti inferiori nei pazienti con disturbi del movimento come paralisi cerebrale, ictus e lesione incompleta del midollo spinale.⁽²³⁾

Propriocezione dell’azione e del movimento muscolare(modifica | fonte edit)

Il termine “propriocezione” deriva dal latino e può essere tradotto come “percezione di sé”. Sir Charles Sherrington ha coniato la definizione di propriocezione come “la percezione del movimento articolare e corporeo, nonché della posizione del corpo, o dei segmenti corporei, nello spazio”.⁽²⁴⁾

In un muscolo, i fusi muscolari sono recettori propriocettivi dello stiramento. Sono responsabili del riflesso di stiramento muscolare (riflesso proprio, riflesso miotatico). L’allungamento all’interno del muscolo provoca una contrazione muscolare come risposta. I fusi muscolari sono sensibili all’allungamento muscolare lento, ma reagiscono con maggiore intensità agli allungamenti rapidi.⁽²⁴⁾

II fisioterapisti possono introdurre interventi incentrati sulla propriocezione, come la Facilitazione Neuromuscolare Proprioceptiva (PNF), per aiutare a ripristinare il controllo dell’equilibrio e migliorare le disfunzioni posturali nei pazienti con condizioni neurologiche e/o muscoloscheletriche.^(25)(26) La PNF utilizza il sistema propriocettivo per “facilitare o inibire la contrazione muscolare”.⁽²⁷⁾

Inibizione reciproca(modifica | fonte di modifica)

Nell’inibizione reciproca, la contrazione del muscolo agonista porta al rilassamento del muscolo antagonista. Questo rilassamento dell’antagonista contribuisce a un movimento efficiente. Ad esempio, quando il bicipite brachiale si contrae, si verifica un’inibizione del tricipite brachiale per consentire una flessione efficiente del gomito.

Insufficienza attiva e passiva(modifica|fonte di modifica)

Un altro concetto importante del movimento è l’insufficienza attiva e passiva.

L’insufficienza attiva si verifica quando un muscolo multiarticolare si accorcia simultaneamente attraverso tutte le articolazioni, riducendo la sua capacità di generare tensione e forza ottimali.

L’insufficienza passiva si verifica quando un muscolo multiarticolare si allunga a livello di tutte le articolazioni che attraversa. Questo limita il range di movimento di ciascuna articolazione, poiché un muscolo generalmente non è abbastanza lungo da consentire contemporaneamente il range di movimento completo di ciascuna articolazione che attraversa.

Conclusione(edit | edit source)

La comprensione della biomeccanica interna è particolarmente importante per valutare le cause e la prevenzione delle lesioni correlate al movimento.

Citazioni(edit | edit source)