Biomechanics of sprint running: a methodological contribution

Sports biomechanics describes human movement from a performance enhancement and an injury reduction perspective. In this respect, the purpose of sports scientists is to support coaches and physicians with reliable information about athletes’ technique. The lack of methods allowing for in-field athlete evaluation as well as for accurate joint force estimates represents, to date, the main limitation to this purpose. The investigations illustrated in the present thesis aimed at providing a contribution towards the development of the above mentioned methods. Two complementary approaches were adopted: a Low Resolution Approach – related to performance assessment – where the use of wearable inertial measurement units is exploited during different phases of sprint running, and a High Resolution Approach – related to joint kinetics estimate for injury prevention – where subject-specific, non-rigid constraints for knee joint kinematic modelling used in multi-body optimization techniques are defined. Results obtained using the Low Resolution Approach indicated that, due to their portability and inexpensiveness, inertial measurement systems are a valid alternative to laboratory-based instrumentation for in-field performance evaluation of sprint running. Using acceleration and angular velocity data, the following quantities were estimated: trunk inclination and angular velocity, instantaneous horizontal velocity and displacement of a point approximating the centre of mass, and stride and support phase durations. As concerns the High Resolution Approach, results indicated that the length of the anterior cruciate and lateral collateral ligaments decreased, while that of the deep bundle of the medial collateral ligament increased significantly during flexion. Variations of the posterior cruciate and the superficial bundle of the medial collateral ligament lengths were concealed by the experimental indeterminacy. A mathematical model was provided that allowed the estimate of subject-specific ligament lengths as a function of knee flexion and that can be integrated in a multi-body optimization procedure.

Development of musculoskeletal models for the design and the pre-clinical validation of hip resurfacing prosthesis

Background. The surgical treatment of dysfunctional hips is a severe condition for the patient and a costly therapy for the public health. Hip resurfacing techniques seem to hold the promise of various advantages over traditional THR, with particular attention to young and active patients. Although the lesson provided in the past by many branches of engineering is that success in designing competitive products can be achieved only by predicting the possible scenario of failure, to date the understanding of the implant quality is poorly pre-clinically addressed. Thus revision is the only delayed and reliable end point for assessment. The aim of the present work was to model the musculoskeletal system so as to develop a protocol for predicting failure of hip resurfacing prosthesis. Methods. Preliminary studies validated the technique for the generation of subject specific finite element (FE) models of long bones from Computed Thomography data. The proposed protocol consisted in the numerical analysis of the prosthesis biomechanics by deterministic and statistic studies so as to assess the risk of biomechanical failure on the different operative conditions the implant might face in a population of interest during various activities of daily living. Physiological conditions were defined including the variability of the anatomy, bone densitometry, surgery uncertainties and published boundary conditions at the hip. The protocol was tested by analysing a successful design on the market and a new prototype of a resurfacing prosthesis. Results. The intrinsic accuracy of models on bone stress predictions (RMSE < 10%) was aligned to the current state of the art in this field. The accuracy of prediction on the bone-prosthesis contact mechanics was also excellent (< 0.001 mm). The sensitivity of models prediction to uncertainties on modelling parameter was found below 8.4%. The analysis of the successful design resulted in a very good agreement with published retrospective studies. The geometry optimisation of the new prototype lead to a final design with a low risk of failure. The statistical analysis confirmed the minimal risk of the optimised design over the entire population of interest. The performances of the optimised design showed a significant improvement with respect to the first prototype (+35%). Limitations. On the authors opinion the major limitation of this study is on boundary conditions. The muscular forces and the hip joint reaction were derived from the few data available in the literature, which can be considered significant but hardly representative of the entire variability of boundary conditions the implant might face over the patients population. This moved the focus of the research on modelling the musculoskeletal system; the ongoing activity is to develop subject-specific musculoskeletal models of the lower limb from medical images. Conclusions. The developed protocol was able to accurately predict known clinical outcomes when applied to a well-established device and, to support the design optimisation phase providing important information on critical characteristics of the patients when applied to a new prosthesis. The presented approach does have a relevant generality that would allow the extension of the protocol to a large set of orthopaedic scenarios with minor changes. Hence, a failure mode analysis criterion can be considered a suitable tool in developing new orthopaedic devices.

Relationships between running economy and mechanics in middle-distance runners

Running economy (RE), i.e. the oxygen consumption at a given submaximal speed, is an important determinant of endurance running performance. So far, investigators have widely attempted to individuate the factors affecting RE in competitive athletes, focusing mainly on the relationships between RE and running biomechanics. However, the current results are inconsistent and a clear mechanical profile of an economic runner has not been yet established. The present work aimed to better understand how the running technique influences RE in sub-elite middle-distance runners by investigating the biomechanical parameters acting on RE and the underlying mechanisms. Special emphasis was given to accounting for intra-individual variability in RE at different speeds and to assessing track running rather than treadmill running. In Study One, a factor analysis was used to reduce the 30 considered mechanical parameters to few global descriptors of the running mechanics. Then, a biomechanical comparison between economic and non economic runners and a multiple regression analysis (with RE as criterion variable and mechanical indices as independent variables) were performed. It was found that a better RE was associated to higher knee and ankle flexion in the support phase, and that the combination of seven individuated mechanical measures explains ∼72% of the variability in RE. In Study Two, a mathematical model predicting RE a priori from the rate of force production, originally developed and used in the field of comparative biology, was adapted and tested in competitive athletes. The model showed a very good fit (R2=0.86). In conclusion, the results of this dissertation suggest that the very complex interrelationships among the mechanical parameters affecting RE may be successfully dealt with through multivariate statistical analyses and the application of theoretical mathematical models. Thanks to these results, coaches are provided with useful tools to assess the biomechanical profile of their athletes. Thus, individual weaknesses in the running technique may be identified and removed, with the ultimate goal to improve RE.

Funzionalizzazione della mandibola dopo ricostruzione con lembo libero rivascolarizzato di fibula "single strut". Al di là del deficit di verticalità.

Obiettivi: Valutare la modalità  più efficace per la riabilitazione funzionale del limbo libero di fibula "single strut", dopo ampie resezioni per patologia neoplastica maligna del cavo orale. Metodi: Da una casistica di 62 ricostruzioni microvascolari con limbo libero di fibula, 11 casi sono stati selezionati per essere riabilitati mediante protesi dentale a supporto implantare. 6 casi sono stati trattati senza ulteriori procedure chirurgiche ad eccezione dell'implantologia (gruppo 1), affrontando il deficit di verticalità  della fibula attraverso la protesi dentaria, mentre i restanti casi sono stati trattati con la distrazione osteogenetica (DO) della fibula prima della riabilitazione protesica (gruppo 2). Il deficit di verticalità  fibula/mandibola è stato misurato. I criteri di valutazione utilizzati includono la misurazione clinica e radiografica del livello osseo e dei tessuti molli peri-implantari, ed il livello di soddisfazione del paziente attraverso un questionario appositamente redatto. Risultati: Tutte le riabilitazioni protesiche sono costituite da protesi dentali avvitate su impianti. L'età  media è di 52 anni, il rapporto uomini/donne è di 6/5. Il numero medio di impianti inseriti nelle fibule è di 5. Il periodo massimo di follow-up dopo il carico masticatorio è stato di 30 mesi per il gruppo 1 e di 38.5 mesi (17-81) di media per il gruppo 2. Non abbiamo riportato complicazioni chirurgiche. Nessun impianto è stato rimosso dai pazienti del gruppo 1, la perdita media di osso peri-implantare registrata è stata di 1,5 mm. Nel gruppo 2 sono stati riportati un caso di tipping linguale del vettore di distrazione durante la fase di consolidazione e un caso di frattura della corticale basale in assenza di formazione di nuovo osso. L'incremento medio di osso in verticalità è stato di 13,6 mm (12-15). 4 impianti su 32 (12.5%) sono andati persi dopo il periodo di follow-up. Il riassorbimento medio peri-implantare, è stato di 2,5 mm. Conclusioni: Le soluzioni più utilizzate per superare il deficit di verticalità  del limbo libero di fibula consistono nell'allestimento del lembo libero di cresta iliaca, nel posizionare la fibula in posizione ideale da un punto di vista protesico a discapito del profilo osseo basale, l'utilizzo del lembo di fibula nella versione descritta come "double barrel", nella distrazione osteogenetica della fibula. La nostra esperienza concerne il lembo libero di fibula che nella patologia neoplastica maligna utilizziamo nella versione "single strut", per mantenere disponibili tutte le potenzialità  di lunghezza del peduncolo vascolare, senza necessità  di innesti di vena. Entrambe le soluzioni, la protesi dentale ortopedica e la distrazione osteogenetica seguita da protesi, entrambe avvitate su impianti, costituiscono soluzioni soddisfacenti per la riabilitazione funzionale della fibula al di là  del suo deficit di verticalità . La prima soluzione ha preso spunto dall'osservazione dei buoni risultati della protesi dentale su impianti corti, avendo un paragonabile rapporto corona/radice, la DO applicata alla fibula, sebbene sia risultata una metodica con un numero di complicazioni più elevato ed un maggior livello di riassorbimento di osso peri-implantare, costituisce in ogni caso una valida opzione riabilitativa, specialmente in caso di notevole discrepanza mandibulo/fibulare. Decisiva è la scelta del percorso terapeutico dopo una accurata valutazione di ogni singolo caso. Vengono illustrati i criteri di selezione provenienti dalla nostra esperienza.

Biomeccanica del servizio e del diritto nel tennis: confronto fra atleti di livello di gioco differente

Il tennis è uno sport molto diffuso che negli ultimi trent’anni ha subito molti cambiamenti. Con l’avvento di nuovi materiali più leggeri e maneggevoli la velocità della palla è aumentata notevolmente, rendendo così necessario una modifica a livello tecnico dei colpi fondamentali. Dalla ricerca bibliografica sono emerse interessanti indicazioni su angoli e posizioni corporee ideali da mantenere durante le varie fasi dei colpi, confrontando i giocatori di altissimo livello. Non vi sono invece indicazioni per i maestri di tennis su quali siano i parametri più importanti da allenare a seconda del livello di gioco del proprio atleta. Lo scopo di questa tesi è quello di individuare quali siano le variabili tecniche che influenzano i colpi del diritto e del servizio confrontando atleti di genere differente, giocatori di livello di gioco diverso (esperti, intermedi, principianti) e dopo un anno di attività programmata. Confrontando giocatori adulti di genere diverso, è emerso che le principali differenze sono legate alle variabili di prestazione (velocità della palla e della racchetta) per entrambi i colpi. Questi dati sono simili a quelli riscontrati nel test del lancio della palla, un gesto non influenzato dalla tecnica del colpo. Le differenze tecniche di genere sono poco rilevanti ed attribuibili alla diversa interpretazione dei soggetti. Nel confronto di atleti di vario livello di gioco le variabili di prestazione presentano evidenti differenze, che possono essere messe in relazione con alcune differenze tecniche rilevate nei gesti specifici. Nel servizio i principianti tendono a direzionare l’arto superiore dominante verso la zona bersaglio, abducendo maggiormente la spalla ed avendo il centro della racchetta più a destra rispetto al polso. Inoltre, effettuano un caricamento minore degli arti inferiori, del tronco e del gomito. Per quanto riguarda il diritto si possono evidenziare queste differenze: l’arto superiore è sempre maggiormente esteso per il gruppo dei principianti; il tronco, nei giocatori più abili viene utilizzato in maniera più marcata, durante la fase di caricamento, in movimenti di torsione e di inclinazione laterale. Gli altri due gruppi hanno maggior difficoltà nell’eseguire queste azioni preparatorie, in particolare gli atleti principianti. Dopo un anno di attività programmata sono stati evidenziati miglioramenti prestativi. Anche dal punto di vista tecnico sono state notate delle differenze che possono spiegare il miglioramento della performance nei colpi. Nel servizio l’arto superiore si estende maggiormente per colpire la palla più in alto possibile. Nel diritto sono da sottolineare soprattutto i miglioramenti dei movimenti del tronco in torsione ed in inclinazione laterale. Quindi l’atleta si avvicina progressivamente ad un’esecuzione tecnica corretta. In conclusione, dal punto di vista tecnico non sono state rilevate grosse differenze tra i due generi che possano spiegare le differenze di performance. Perciò questa è legata più ad un fattore di forza che dovrà essere allenata con un programma specifico. Nel confronto fra i vari livelli di gioco e gli effetti di un anno di pratica si possono individuare variabili tecniche che mostrano differenze significative tra i gruppi sperimentali. Gli evoluti utilizzano tutto il corpo per effettuare dei colpi più potenti, utilizzando in maniera tecnicamente più valida gli arti inferiori, il tronco e l’arto superiore. I principianti utilizzano prevalentemente l’arto superiore con contributi meno evidenti degli altri segmenti. Dopo un anno di attività i soggetti esaminati hanno dimostrato di saper utilizzare meglio il tronco e l’arto superiore e ciò può spiegare il miglioramento della performance. Si può ipotizzare che, per il corretto utilizzo degli arti inferiori, sia necessario un tempo più lungo di apprendimento oppure un allenamento più specifico.

Human bone: the tissue characteristics determining its mechanical behaviour

The present thesis illustrates the research carried out during the PhD studies in Bioengineering. The research was aimed to characterise the human bone tissue, with particular regard to the differences between cortical and trabecular bone. The bone tissue characteristics that affect its mechanical properties were verified or identified, using an experimental approach, to corroborate or refute hypotheses based on the state of the art in bone tissue biomechanics. The studies presented in the present PhD thesis were designed to investigate aspects of bone tissue biomechanics, which were in need of a more in-depth examination since the data found in the literature was contradictory or scarce. In particular, the work was focalised on the characterisation of the basic structure of the bone tissue (groups of lamellae), its composition, its spatial organisation (trabecular bone microarchitecture) and their influence on the mechanical properties. In conclusion, the present thesis integrates eight different studies on the characterisation of bone tissue. A more in-depth examination of some of the aspects of bone tissue biomechanics where the data found in the literature was contradictory or scarce was performed. Bone tissue was investigated at several scales, from its composition up to its spatial organization, to determine which parameters influence the mechanical behaviour of the tissue. It was found that although the composition and real density of bone tissue are similar, the differences in structure at different levels cause differences between the two types of bone tissue (cortical and trabecular) in mechanical properties. However, the apparent density can still be considered a good predictor of the mechanical properties of both cortical and trabecular bone. Finally, it was found that the bone tissue characteristics might change when a pathology is present, as demonstrated for OA.