ARMLAB. Gestione di un database di segnali clinico - sperimentali nella riabilitazione robotica dell’arto superiore

1 
PREFAZIONE 
Uno degli ambiti clinici nei quali l‟innovazione ed il trasferimento tecnologico non sta 
semplicemente accompagnando il processo terapeutico, ma sta piuttosto mostrando la 
sua influenza nel modificarlo in misura sostanziale, è quello della riabilitazione 
robotizzata. E‟ questo, difatti, attualmente un ambito di elevata integrazione tra 
competenze prettamente ingegneristiche, proprie delle tecnologie robotiche, e pratiche 
mediche di rilevante impatto clinico, quali quelle riabilitative, ove anche più che in 
altri campi, risulta evidente e prezioso l‟apporto ed il contributo che in ambito 
sanitario può essere offerto delle discipline afferenti la bioingegneria. Il miglioramento 
nelle funzionalità degli arti superiori, nei casi di patologie invalidanti, è un ambito 
particolarmente importante nel percorso riabilitativo, ma è anche un obiettivo molto 
difficile da raggiungere a causa della complessità biomeccanica e neuromuscolare che 
caratterizza questo distretto corporeo. Basti pensare all‟estrema varietà delle funzioni 
motorie realizzabili dagli arti superiori, che vanno dal sollevamento e movimentazione 
dei pesi elevati, alla mobilità e destrezza fine delle dita della mano durante i complessi 
compiti motori connessi alla manipolazione, come la scrittura o il suonare uno 
strumento musicale. Ancor più complesso è inoltre il caso di disabilità degli arti 
superiori causate da patologie del sistema nervoso centrale, quali per esempio l‟ictus 
cerebrovascolare, alcune malattie neurodegenerative, le lesioni spinali, ove possono 
subentrare difficoltà legate all‟alterazione del controllo motorio: la spasticità, il 
tremore, la dismetria e l‟atassia. Particolarmente in questi ambiti, le classiche tecniche 
fisioterapiche di riabilitazione spesso mostrano i propri limiti non sempre permettendo 
di raggiungere degli ottimali obiettivi di recupero delle funzionalità. Di estremo 
interesse in tal senso appaiono, quindi, gli ulteriori strumenti che la tecnologia può 
offrire come supporto alla pratica riabilitativa neuromotoria. Fra questi, i dispositivi 
robotici sembrano essere particolarmente promettenti. In particolare, gli obbiettivi del 
presente lavoro di tesi hanno avuto per oggetto lo sviluppo di un pacchetto software 
globale per la gestione di tutte le esigenze legate alla cura e riabilitazione degli arti 
superiori. Lo scopo è quello di integrare in un unico pacchetto funzioni già disponibili 
su diverse piattaforme, ma che, proprio per il fatto di essere sparse su piattaforme 
diverse, risultano al momento poco pratiche da utilizzare.
Capitolo 1 
ANATOMIA E BIOMECCANICA 
DELLA SPALLA
Capitolo 1: Anatomia e biomeccanica della spalla 
 
 3 
1.1 - Introduzione 
La spalla, più propriamente chiamata “cingolo scapolare”, è la regione del corpo che 
corrisponde alla radice dell‟arto superiore, cioè al punto in cui esso si unisce al tronco. 
Rappresenta una delle articolazioni più mobili dell‟organismo in quanto possiede tre 
gradi di libertà lungo tre assi principali:  
1. Asse sagittale, lungo il quale avvengono i movimenti di abduzione adduzione 
dell‟arto superiore; 
2. Asse verticale, attorno al quale avviene la rotazione interna ed esterna 
dell‟arto; 
3. 
Asse frontale, lungo il quale si eseguono i movimenti di anteposizione e 
retroposizione;
 
 
Figura 1.1 – Anatomia della spalla 
Per chiare ragioni anatomico - funzionali, e data la sua attività fisiologica di perno 
dell‟arto superiore risulta evidente che la spalla sia estremamente sollecitata ed esposta 
al rischio di un elevato numero di eventi traumatici. Essa, infatti, non si presenta come 
un'unica articolazione ma il suo movimento è legato a una perfetta sincronia di diverse 
articolazioni stabilizzate da complessi capsulo legamentosi, e attivate da gruppi
Capitolo 1: Anatomia e biomeccanica della spalla 
 
 4 
muscolari differenti. Ciò rende conto della facilità con cui si instaurano a livello delle 
superfici articolari coinvolte delle lesioni di tipo degenerativo (artrosi) che spesso si 
accompagnano a reazioni di tipo flogistico (artrite).  
Scopo di questa sezione è ripercorrere gli aspetti anatomici e funzionali della spalla, 
valutando le articolazioni, i legamenti, i tendini e i muscoli coinvolti nel movimento, 
prestando poi particolare attenzione a notazioni di carattere biomeccanico e di 
interesse bioingegneristico.  
Si ricorda, inoltre, che il complesso osseo dell‟arto superiore comprende anche ossa 
che interessano avambraccio (ulna e radio) e mano(carpo, metacarpo e falangi). 
Tuttavia per esigenze progettuali e cliniche, il gomito è stato tenuto bloccato durante le 
sperimentazioni relative a questo lavoro, quindi si informa il lettore che verranno 
omessi approfondimenti sulla struttura ossea dell‟avambraccio e della mano e sulla 
biomeccanica di polso e gomito, mentre verrà prestata particolare attenzione ai 
muscoli del braccio che intervengono attivamente nei movimenti di abduzione, flesso - 
estensione e rotazione. [1]
Capitolo 1: Anatomia e biomeccanica della spalla 
 
 5 
1.2 - Le ossa della spalla 
La spalla è costituita da tre ossa: scapola, clavicola e omero. La scapola è un osso pari, 
piatto, sottile, di forma triangolare, con la base superiore e l‟apice inferiore che, 
insieme alla clavicola, rientra nella costituzione della cintura toracica (o cingolo 
toracico), ossia il dispositivo che unisce la parte libera dell‟arto superiore al torace. 
La scapola si applica alla parte postero-superiore del torace, ad un livello compreso tra 
la 3
a
 e la 7
a
 costa e si sintetizza secondo la seguente struttura: una faccia anteriore (o 
costale), una faccia posteriore (o dorsale), tre margini di cui uno mediale (o 
vertebrale), uno laterale (o ascellare) ed uno superiore, e tre angoli che si distinguono 
in laterale, mediale e inferiore. La faccia anteriore (o costale) presenta una concavità 
detta fossa sottoscapolare; nella parte superiore della fossa troviamo invece delle 
creste trasversali dai quali hanno origine i fasci del muscolo sottoscapolare. 
 
Figura 1.2 - Faccia anteriore della scapola 
La faccia posteriore presenta in alto una sporgenza, la spina della scapola, di forma 
triangolare, che inizia al livello del margine vertebrale e si innalza gradualmente 
procedendo verso l‟esterno per continuare in un robusto processo, l‟acromion, che si 
dirige in fuori e volge poi innanzi per appiattirsi a terminare con un‟estremità 
arrotondata.
Capitolo 1: Anatomia e biomeccanica della spalla 
 
 6 
La spina della scapola divide la faccia posteriore in una parte superiore, detta 
fossa sovraspinata, dove ha origine il muscolo omonimo, ed una parte inferiore 
chiamata fossa infraspinata, ai limiti laterali del quale si trova un rilievo 
parallelo al margine ascellare che individua una sottile zona della faccia dorsale 
dove originano il muscolo piccolo rotondo, in alto, e il muscolo grande rotondo, 
in basso. Nell‟acromion, invece troviamo una faccia superiore, una faccia 
inferiore e due margini, mediale e laterale. La faccia superiore è ricoperta dalla 
cute mentre quella inferiore sovrasta l‟articolazione scapolo-omerale. Sul 
margine mediale vicino all‟estremità libera, si trova una faccetta articolare di 
forma ovale che si mette in giunzione con la clavicola. 
 
Figura 1.3 - Faccia posteriore della scapola
 
Notiamo ancora che il margine vertebrale della scapola è sottile e da attacco a muscoli 
provenienti dal torace e dalla colonna vertebrale, mentre il margine ascellare è più 
spesso e alla sua estremità superiore presenta un rilievo, la tuberosità infraglenoidea, 
dove ha origine il capo lungo del muscolo tricipite brachiale. Il margine superiore è 
più breve dei precedenti, presenta lateralmente l‟incisura della scapola, all‟esterno del 
quale si solleva, dal margine superiore, il processo coracoideo che si porta dapprima in
Capitolo 1: Anatomia e biomeccanica della spalla 
 
 7 
alto e poi, incurvandosi a becco, si dirige in avanti e in fuori e termina con un apice 
smusso dove si fissano il muscolo coracobrachiale, il capo breve del muscolo bicipite 
brachiale e il muscolo piccolo pettorale. 
La clavicola è un osso pari, a forma di S allungata, che si estende trasversalmente, al 
davanti della 1a costa, dal manubrio dello sterno all‟acromion della scapola. 
Nonostante la forma, non può considerarsi come un osso lungo ma presenta, invece, la 
conformazione interna e le modalità di ossificazione proprie delle ossa piatte. La 
clavicola è formata da un corpo e da due estremità di cui quella mediale è detta 
sternale e quella laterale è detta acromiale.  
 
Figura 1.4 - Clavicola 
Il corpo forma una doppia curva con una convessità anteriore volta medialmente e una 
concavità posteriore volta lateralmente; la parte mediale ha forma prismatica 
triangolare, mentre la parte laterale è appiattita. 
Il corpo si compone inoltre di una faccia superiore, rugosa lateralmente, consentendo 
l‟attacco con i muscoli trapezio e deltoide, e liscia medialmente, originando il capo 
clavicolare del muscolo sternocleidomastoideo; di una faccia inferiore e due margini, 
che presenta lateralmente la tuberosità coracoidea (dove si impianta il legamento 
coraco - clavicolare), alla quale segue il solco del muscolo succlavio. 
L‟ omero è il solo segmento scheletrico del braccio ed è uno osso lungo (25-28 
cm), si articola superiormente con la scapola e inferiormente con le ossa. La sua 
struttura è composta da un corpo, di forma cilindrica in alto e prismatica e triangolare 
in basso, e da due estremità, prossimale e distale dell‟avambraccio (arto medio), 
radio e ulna.
Capitolo 1: Anatomia e biomeccanica della spalla 
 
 8 
Il corpo è costituito da: una faccia antero - mediale, che ha nella sua parte di mezzo il 
foro nutritizio e nella parte superiore il prolungamento (inferiore) del solco bicipitale; 
una faccia antero - laterale che ha nel suo terzo medio una zona rugosa (tuberosità 
deltoidea) sulla quale si innesta il muscolo deltoide; una faccia posteriore, percorsa dal 
solco del nervo radiale, una scanalatura elicoidale che ha inizio in alto presso il 
margine mediale e si porta in basso dividendo la faccia stessa in due parti, una al di 
sopra del solco, da cui origina il capo laterale del muscolo tricipite ed una, sotto il 
solco, da cui nasce il capo mediale dello stesso muscolo
.
 
Le facce sono inoltre divise da tre margini: mediale, laterale e anteriore.  
 
Figura 1.5 - Omero, faccia anteriore e posteriore 
L‟estremità prossimale, ha forma sferica e può essere distinta in tre parti: collo 
chirurgico,collo anatomico e testa. Il collo chirurgico è una zona ristretta che, 
grossolanamente, delimita verso l‟estremità prossimale il corpo dell‟omero. Il collo 
anatomico è uno strozzamento anulare situato tra la superficie articolare della testa e i
Capitolo 1: Anatomia e biomeccanica della spalla 
 
 9 
due tubercoli. La testa, calotta articolare corrispondente ad un terzo di sfera, rivolta in 
alto, medialmente e dorsalmente, con il suo asse, forma con l‟asse longitudinale del 
corpo un angolo di inclinazione di 130°-140° e con l‟asse trasversale dell‟estremità 
inferiore un angolo di declinazione aperto medialmente e dorsalmente di 20°. Sulla 
testa dell‟omero si notano: il tubercolo maggiore, grosso rigonfiamento laterale 
provvisto di tre faccette pianeggianti per attacco muscolare; la cresta del tubercolo 
maggiore, rilievo osseo, che continua in basso, verticalmente, il tubercolo maggiore; il 
tubercolo minore, rilievo più piccolo del precedente, che continua nella cresta del 
tubercolo minore e nel solco intertubercolare, compreso tra le due creste e i due 
tubercoli. 
L‟ estremità distale, è appiattita in senso ventro - dorsale, ed allungata trasversalmente. 
Presenta medialmente la troclea dell‟omero, superficie articolare dalla forma di 
puleggia, a forma di cono tronco con base mediale e asse longitudinale orientato 
obliquamente in alto e lateralmente. La troclea è percorsa da una larga gola limitata da 
margini elevati, soprattutto quello mediale. Lateralmente si trova il capitello 
dell‟omero, che consiste in un segmento di sfera convesso, rivolto volarmente e 
distalmente. Risultano, inoltre, evidenti tre fosse: coronoidea, olecranica e radiale. La 
fossa coronoidea piccola ma profonda, è un escavazione situata sopra la troclea sulla 
faccia volare dell‟omero. La fossa olecranica, ampia e profonda cavità, di forma 
triangolare, è scavata nella faccia dorsale nell‟estremità distale sopra la troclea. Il 
sottile setto osseo, che forma il fondo della cavità olecranica della fossa coronoidea, 
può risultare perforato. Infine, sopra il condillo, nella faccia anteriore dell‟omero, è 
visibile la fossa radiale. 
In corrispondenza dei margini si sollevano due rilievi: l‟epicondio mediale, 
voluminoso rilievo osseo destinato alle inserzioni muscolari, situato sopra la troclea in 
corrispondenza del margine mediale; l‟epicondio laterale, come il precedente, è però 
più basso e più tozzo, situato sopra il capitello dell‟omero. Tra l‟epicondio mediale e il 
margine della troclea si trova il solco del nervo ulnare.
Capitolo 1: Anatomia e biomeccanica della spalla 
 
 10 
1.3 - Le articolazioni della spalla 
In realtà con il termine spalla si intende l‟insieme di cinque articolazioni, denominato 
complesso articolare della spalla, che cooperano nel movimento dell‟arto superiore. 
Accanto ad alcune articolazioni “vere” in senso anatomico esso comprende anche altre 
strutture funzionalmente assimilabili a delle articolazioni, pur non avendone le 
caratteristiche anatomiche. 
Si può quindi pensare ad una suddivisione delle articolazioni in due grandi gruppi: 
Il primo gruppo contiene le articolazioni vere: scapolo-omerale, acromio-clavicolare, 
sterno-costo-clavicolare. 
Il secondo gruppo che contiene le articolazioni in senso fisiologico: sotto deltoidea, 
scapolo toracica. 
L‟articolazione scapolo-omerale è la principale articolazione della spalla ,si compone 
di superfici articolari sferiche, caratteristiche delle enartrosi. Essendo inoltre costituita 
dall‟estremità sferoidale della testa omerale che ruota su una superficie della scapola 
detta glena, consente al braccio di compiere una rotazione vicina ai 360° nello spazio. 
La scapolo omerale viene solitamente definita “articolazione non portante”, dato che 
non è sottoposta ad alcuna forza peso, come ad esempio l‟anca.  
Tuttavia ciò non è del tutto vero, infatti, è fondamentale sottolineare che le 
sollecitazioni meccaniche a cui essa è sottoposta sono notevoli. Basti notare , ad 
esempio, che, a braccio abdotto a 60°-90° (a mano vuota), nella zona di contatto omero 
glenoidea, agisce una forza pari a 8 volte il peso del braccio. Da quanto detto possiamo 
concludere che l‟articolazione scapolo omerale è sicuramente la più mobile del corpo 
umano ed i muscoli hanno una funzione non solo dinamica ma anche contenitiva: 
infatti la loro paralisi può determinare la perdita di contatto più o meno accentuata dei 
capi articolari. Le superfici articolari sono: la testa dell‟ omero e la cavità glenoidea 
della scapola.
Capitolo 1: Anatomia e biomeccanica della spalla 
 
 11 
 
Figura 1.6 - Visione posteriore ed anteriore dell'articolazione scapolo-omerale
 
E‟ importante sottolineare come le due cavità articolari non siano perfettamente 
complementari, anzi la cavità glenoidea della scapola risulta essere troppo poco 
profonda per ospitare la testa dell‟omero; per questo motivo la struttura si 
rinforza grazie a: 
4. Muscoli vicini, che limitano i casi di lussazione, in particolare i muscoli 
sottoscapolare, sovraspinato, infraspinato, e piccolo rotondo, che dirigendosi 
verso l'arto superiore costituiscono la nota cuffia dei rotatori: le strutture 
legamentose di questi muscoli si fondono con la capsula articolare 
rinforzandone la struttura. 
5.  Manicotto fibroso del capo glenoideo: per favorire il corretto inserimento 
della struttura a livello articolare la superficie articolare della cavità glenoidea 
è dotata di una struttura fibrosa in rilievo detta labbro glenoideo.  
6. Capsula articolare: si tratta di una struttura piuttosto ampia, che si inserisce: 
prossimalmente nel contorno della cavità glenoidea e al labbro glenoideo, 
distalmente sul collo chirurgico e al livello del collo anatomico. 
7. Legamenti: i gleno omerali che uniscono il contorno della cavità glenoidea e 
il labbro glenoideo all‟estremità prossimale dell‟omero; i coraco omerale , un