Mal di schiena: una questione di meccanica

In collaborazione con l'Università di Pittsburgh e il Balgrist University Hospital, l'Empa sta decodificando la meccanica delle vertebre lombari. I ricercatori possono ora mostrare come si verifica l'usura dei corpi vertebrali e dei dischi intervertebrali. In questo modo sarà più facile scegliere la terapia giusta.

Alcuni sostengono che il mal di schiena sia il prezzo da pagare per camminare in posizione eretta. Altri sostengono che il problema del mal di schiena sia iniziato solo quando l'uomo si è seduto a pensare: la mancanza di esercizio fisico indebolisce i muscoli, a cui si aggiunge lo stress della vita privata o del lavoro. I muscoli della schiena si infiammano e fanno male.

Nella maggior parte dei casi, il problema può essere risolto allentando e rafforzando i muscoli della schiena. Ma questo non funziona per ogni settima persona colpita; anche la somministrazione di oppiacei non aiuta più. Solo un'operazione può porre fine alla sofferenza. Nei casi più gravi, le vertebre o i dischi intervertebrali difettosi vengono collegati con una struttura metallica (fusione intervertebrale). Il segmento fissato si ossifica e inizialmente non può più causare dolore. Ma questi interventi di riparazione danno sollievo ai pazienti solo per alcuni anni, dopodiché il problema si ripresenta nelle vertebre vicine. La domanda è: perché è così e come si può prevenire?

Bernhard Weisse e il suo team dell'Empa stanno studiando proprio questi aspetti meccanici. Per capire perché e quanto velocemente un disco intervertebrale si usura, i ricercatori devono conoscere le forze che agiscono in quest'area. E questo, a sua volta, richiede una conoscenza precisa della forma, dell'elasticità e della mobilità dei singoli elementi: è una questione che riguarda gli ingegneri meccanici.

Il simulatore di scheletro
In una prima fase, i ricercatori dell'Empa hanno messo a punto la base teorica: il team di Weiss ha inserito i dati relativi alla geometria della colonna vertebrale di 81 pazienti nel programma informatico Open Sim, un programma di simulazione del sistema muscolo-scheletrico umano sviluppato dall'Università di Stanford e utilizzato in tutto il mondo. Il compito era quindi quello di mappare la biomeccanica nella simulazione al computer nel modo più accurato possibile: Un disco intervertebrale si comporta come un'articolazione a sfera? O più simile a un cuscinetto di gomma? Che influenza hanno i muscoli su questo aspetto: il cuscinetto di gomma mantiene sempre la stessa rigidità o la rigidità cambia a seconda dell'angolo di flessione? L'Empa ha collaborato a questo progetto con il Laboratorio di Biomeccanica Ortopedica dell'Ospedale Universitario Balgrist (Università di Zurigo) e con l'Istituto di Biomeccanica del Politecnico di Zurigo.
Con l'aiuto del modello computerizzato, gli scienziati sono riusciti a riprodurre la meccanica. Il risultato: nelle persone con una certa deformità della colonna vertebrale, i dischi intervertebrali sono già sollecitati fino al 34% in più rispetto a uno stato di salute. Se un disco intervertebrale si rompe e viene colmato, il carico nelle articolazioni vicine aumenta ulteriormente e può raggiungere il 45% in più rispetto alle persone senza questa malposizione.

Diventano possibili raccomandazioni terapeutiche individuali
Ma l'analisi computerizzata di un problema di salute da sola non è sufficiente. L'obiettivo è fare una diagnosi individuale per ogni paziente e raccomandare la terapia appropriata. Una collaborazione con scienziati statunitensi, finanziata dal Fondo Nazionale Svizzero per la Ricerca Scientifica, è stata d'aiuto in questo senso: i ricercatori dell'Università di Pittsburgh hanno sviluppato un nuovo sistema video a raggi X 3D. Si chiama "Digital Stereo-X-Ray Imaging" (DSX) e può riprodurre il movimento della colonna vertebrale a 250 immagini al secondo, mentre la posizione delle vertebre può essere vista con una precisione di 0,2 millimetri. Il trucco sta nel fatto che le immagini radiografiche sfocate del movimento vengono combinate con immagini TAC nitide del paziente fermo nel computer.

Uno dei ricercatori che vi lavorano, Ameet Aiyangar, era già stato ospite dell'Empa nel 2009 e ora vi ritorna. A Pittsburgh ha fatto sollevare pesi a dodici persone sane e ha prodotto filmati ad alta risoluzione dei loro movimenti spinali. Attualmente Aiyangar sta facendo corrispondere le pellicole radiografiche scattate con i modelli computerizzati dei rispettivi soggetti esaminati. Una volta che il modello sarà coerente per le persone sane, i ricercatori intendono utilizzare questo metodo per studiare il problema della spondilodesi (blocco del corpo vertebrale). A tal fine, i pazienti vengono filmati prima e dopo l'intervento con il sistema DSX e viene analizzato il movimento delle loro vertebre. In questo modo è possibile determinare quali forze agivano nella parte inferiore della colonna vertebrale prima dell'intervento e che cosa ha cambiato la ripartizione delle forze con il ponte delle vertebre. L'esame aiuterà a comprendere meglio l'usura delle vertebre della schiena e a localizzare con maggiore precisione la causa del dolore lombare. In futuro potrebbe essere disponibile un'analisi computerizzata di questo tipo per tutti i pazienti operati alla schiena.

(Testo: Empa)