La biomeccanica della caviglia.

Il complesso della caviglia comprende la parte inferiore della gamba e la parte posteriore del piede e forma un legame cinetico, permettendo all'arto inferiore di interagire con il terreno, un requisito fondamentale per deambulazione e altre attività della vita quotidiana. Nonostante il carico dia un'alta compressione e grosse forze di taglio durante il cammino, la struttura ossea e legamentosa della caviglia consente di operare con un elevato grado di stabilità, e rispetto ad altre articolazioni come l'anca o il ginocchio, risulta molto meno soggetta a processi degenerativi come l'osteoartrosi, a meno che non sia associato un trauma precedente. Questo documento metterà in evidenza importanti strutture anatomiche ossee e tessuti molli che formano il complesso della caviglia e sarà ulteriormente evidenziato come la caviglia funzioni in modo articolato durante la deambulazione e come la patologia cambia questi movimenti.

ANATOMIA DELLA CAVIGLIA

Il piede è costituito da ventisei singole ossa, che insieme alle ossa lunghe degli arti inferiori formano un totale di trentatré articolazioni. Sebbene spesso sia indicato come 'caviglia', ci sono una serie di articolazioni che facilitano il movimento del piede. Il complesso articolare della caviglia è costituito dalla talocalcaneare (sottoastragalica), tibioastragalica (talocrurale) e trasversale-tarsale (talo-calcaneo-navicolare).

La sottoastragalica

Il calcagno è l'osso più grande, forte e posteriore del piede, fornendo attacco al tendine di Achille. Si trova inferiormente all'astragalo, e forma un'articolazione triplanare e uniassiale con astragalo. L'astragalo poggia sulla porzione superiore del calcagno. Le due faccette articolari dell'articolazione astragalo-calcaneare anteriore sulla faccia inferiore dell'astragalo sono convesse, e sulla faccia superiore del calcagno sono concave, mentre le faccette articolari dell'articolazione astragalo-calcaneare posteriore sulla faccia inferiore dell'astragalo sono concave, e sulla faccia superiore del calcagno sono convesse. Questa geometria permette i movimenti di inversione ed eversione della caviglia, e anche se questa articolazione permette altri movimenti, la maggior parte dell'eversione ed inversione del piede parte da qui. Un certo numero di legamenti forma dei legami tra le due superfici ossee. Il collegamento chiave tra i due è il legamento astragalo-calcaneale interosseo, un legamento forte e spesso che si estende dalle faccette articolari dell'astragalo inferiore alla superficie superiore del calcagno. Due ulteriori legamenti, il legamento talocalcaneare laterale e il legamento astragalo-calcaneale anteriore contribuiscono al collegamento di questa articolazione. Tuttavia questi ultimi sono relativamente deboli. L'articolazione astragalo-calcaneale è supportata anche dalla parte calcaneare del legamento collaterale laterale e dal legamento tibiocalcaneare del legamento deltoideo. Inoltre, i lunghi tendini del peroneo lungo, del peroneo breve, del flessore lungo dell'alluce, del tibiale posteriore e del flessore lungo delle dita forniscono ulteriore supporto.

La tibio-astragalica

L'articolazione tibioastragalica è la giunzione tra la porzione distale di tibia e perone con l'astragalo. L'aspetto portante di questa articolazione è l'interfaccia tibio-astragalica. L'osso astragalo comprende la testa, il collo e il corpo, e non ha alcuna inserzione muscolare diretta. La troclea dell'astragalo si inserisce nello spazio formato dalle estremità distali delle ossa lunghe di tibia e perone. I malleoli di tibia e perone svolgono il ruolo di vincolare l'astragalo, tale che questo meccanismo funzioni come una cerniera, e contribuisce essenzialmente al movimento di flessione plantare e dorsale del piede. Tuttavia, la geometria dell'articolazione, vista la superficie della troclea a forma di cono e l'asse di rotazione obliquo, suggerisce che questo apparato non possa funzionare semplicemente come una cerniera. L'astragalo è più ampio anteriormente, il che significa che l'articolazione sia più stabile durante il movimento di dorsiflessione. La geometria conforme dell'articolazione tibioastragalica è considerata contribuire alla stabilità dell'articolazione generale. In fase statica, la geometria della sola articolazione è sufficiente a fornire una resistenza all'eversione; in fase dinamica la stabilità deriva dalle strutture dei tessuti molli.

L'articolazione tibioastragalica è un diartrosi ed è coperta da una sottile capsula, fissata superiormente alla tibia e ai malleoli, ed inferiormente all'astragalo. La stabilità articolare è data attraverso tre gruppi di legamenti. La sindesmosi tibiofibulare limita il movimento tra la tibia e il perone durante le attività della vita quotidiana, mantenendo la stabilità tra le ossa. La sindesmosi si compone di tre parti - il legamento tibiofibulare anteriore, il legamento tibiofibulare posteriore e il legamento tibiofibulare interosseo. La porzione mediale di questa articolazione della caviglia è supportata dai legamenti collaterali mediali (o legamento deltoideo) e questi sono la chiave per resistere ai movimenti di eversione e alle sollecitazioni in valgo all'interno dell'articolazione. Il legamento deltoideo è a forma di ventaglio e comprende i legamenti tibio-astragalici anteriore e posteriore, il legamento tibionavicolare e il legamento tibiocalcaneare. I legamenti collaterali laterali riducono l'inversione dell'articolazione, limitando le sollecitazioni in varo e riducendo la rotazione. Sono costituiti dai legamenti talofibulari anteriore e posteriore e dal legamento calcaneare. I legamenti anteriori e posteriori resistono alle forze ad alta resistenza di flessione plantare e dorsale. Questi legamenti forniscono stabilità all'articolazione tibioastragalica laterale e sono spesso danneggiati durante le lesioni in inversione come la distorsione di caviglia. Il legamento calcaneare è l'unico tessuto connettivo diretto tra l'articolazione tibioastragalica e l'articolazione sottoastragalica.

La tibiofibulare inferiore 

Questa articolazione è già stata indicata nella spiegazione dell'articolazione tibioastragalica. In parte della letteratura è considerata come un aspetto centrale dell'articolazione tibioastragalica, ma può anche essere considerata come un'articolazione distinta. Questa non è un'articolazione sinoviale, ma è presente la membrana interossea, un tessuto fibroso che collega le due porzioni distali di perone e tibia. La funzione principale di questa articolazione è stabilizzatrice, aggiungendo appunto stabilità, piuttosto che movimenti aggiuntivi del piede e della caviglia. Come precedentemente descritto, i legamenti tibio-fibulari anteriore e posteriore e il legamento tibiofibulare interosseo mantengono il rapporto tra la tibia e il perone. Il vincolo legamentoso dell'articolazione la rende altamente suscettibile al danno, ed è spesso coinvolta nelle frattura di caviglia e nelle lesioni in eversione.

La trasversale-tarsale

L'articolazione tarsale-trasversale (interlinea di Chopart) crea dei rapporti di congiunzione tra l'astragalo e lo scafoide (dove anteriormente, la testa dell'astragalo si articola con la faccetta posteriore della scafoide), e tra il calcagno e il cuboide, formando l'articolazione calcaneo-cuboidea. L'articolazione tarsale-trasversale è considerata parte della stessa unità funzionale sottoastragalica in quanto condividono un asse comune di movimento e contribuisce anche al movimento di eversione e di inversione del piede.

I MUSCOLI DELLA CAVIGLIA

La maggior parte del movimento all'interno del piede e della caviglia è prodotto da dodici muscoli estrinseci, che hanno origine nella gamba e si inseriscono all'interno del piede. Questi muscoli sono raggruppati all'interno di quattro scomparti. Il compartimento anteriore si compone di quattro muscoli: il tibiale anteriore, l'estensore lungo delle dita, l'estensore lungo dell'alluce e il peroneo terzo. Il tibiale anteriore e l'estensore lungo dell'alluce producono una flessione dorsale e una inversione del piede. Il peroneo terzo produce una flessione dorsale e un'eversione del piede. L'estensore lungo delle dita produce solo una flessione dorsale del piede. Il compartimento laterale è composto da due muscoli: peroneo lungo e peroneo breve, che producono una flessione plantare e una eversione del piede. Il compartimento posteriore è costituito da tre muscoli: gastrocnemio, soleo e plantare lungo, che contribuiscono alla flessione plantare del piede. Il compartimento posteriore profondo è composto da tre muscoli: tibiale posteriore, flessore lungo delle dita e flessore lungo dell'alluce, che producono una flessione plantare e una inversione del piede.

BIOMECCANICA DELLA CAVIGLIA

I movimenti chiave del complesso della caviglia sono: 

- flessione plantare e flessione dorsale, che si verificano nel piano sagittale; 

- ab/adduzione, che si verificano nel piano trasversale

- inversione-eversione, che si verificano nel piano frontale.

Le combinazioni di questi movimenti attraverso sia la sottoastragalica sia l'articolazione tibioastragalica creano movimenti tridimensionali chiamati supinazione e pronazione. Entrambi i termini definiscono la posizione della superficie plantare del piede (suola). Durante il movimento di supinazione, una combinazione di flessione plantare, inversione e adduzione provoca uno spostamento della superficie plantare del piede in senso mediale. Durante la pronazione, la flessione dorsale, l'eversione e l'abduzione agiscono posizionando la superficie plantare del piede in senso laterale.

Asse di rotazione della caviglia

Mentre molti autori considerano l'articolazione tibioastragalica come una semplice articolazione a cerniera, c'è stato qualche autore che l'ha definita come multi-assiale, a causa della rotazione interna che si verifica durante la dorsiflessione, e la rotazione esterna che si verifica in flessione plantare. Tuttavia, vi sono prove che suggeriscono che l'articolazione tibioastragalica sia monoassiale, ma il movimento simultaneo osservato durante i movimenti complessi sono il risultato del suo asse obliquo. L'asse di rotazione della caviglia nel piano sagittale avviene attorno alla retta passante tra il malleolo mediale e laterale. L'asse di rotazione nel piano coronale avviene attorno al punto di intersezione tra i malleoli e l'asse lungo della tibia nel piano frontale. L'asse di rotazione nel piano trasversale avviene attorno all'asse longitudinale della tibia che interseca la linea mediana del piede.

Studi dell'anatomia dell'astragalo hanno evidenziato la differenza di curvatura radiale negli aspetti mediale e laterale, indicando che l'asse di rotazione della caviglia varierà a seconda dei cambiamenti di movimento. Sulla base di questo, alcuni autori hanno proposto più assi di movimento per la caviglia durante l'attività normale. Dal 1950, è stato proposto un asse di flessione plantare, che punta verso l'alto e verso il lato laterale della caviglia, ed un asse di flessione dorsale che è inclinato verso il basso e lateralmente. Questi sono paralleli al piano trasversale, ma possono variare fino a 30 ° sul piano coronale. Il movimento su questi assi non può verificarsi contemporaneamente, e la transizione tra gli assi durante il movimento si stima che si verifichi in prossimità della posizione neutra dell'articolazione.

L'asse di rotazione della sottoastragalica è anche un asse obliquo, va da posteriore ad anteriore e forma un angolo di circa 40° con l'asse antero-posteriore nel piano sagittale, e un angolo di 23° con la linea mediana del piede nel piano trasversale. In modo simile all'articolazione tibioastragalica, la sottoastragalica crea dei movimenti multipli durante la flessione plantare e dorsale, con conseguente pronazione e supinazione.

Escursione articolare

La gamma di movimento della caviglia (ROM) varia significativamente tra gli individui, a seconda delle differenze provenienze geografiche e culturali sulla base delle loro attività della vita quotidiana. Il movimento della caviglia si verifica principalmente nel piano sagittale, con la flessione plantare e dorsale che si verificano prevalentemente a livello dell'articolazione tibioastragalica. Diversi studi hanno indicato un ROM complessivo nel piano sagittale compreso tra 65 e 75°, passando dai 10 ai 20° di flessione dorsale fino ai 40-55° di flessione plantare. L'escursione totale di movimento nel piano frontale è di circa 35° (23° in inversione e 12° in eversione). Tuttavia, nelle attività quotidiane, il ROM necessario nel piano sagittale è molto ridotto, con un massimo di 30° per camminare, e 37°-56° rispettivamente per salire e scendere le scale. Si è registrata storicamente una convenzione in cui il movimento dorsale e plantare è stato attribuito esclusivamente all'articolazione tibio-astragalica, mentre i movimenti di inversione-eversione sono stati attribuiti esclusivamente alla sottoastragalica. Più di recente, la completa separazione dei movimenti per ciascun articolazione è stata respinta; il movimento di flessione plantare e dorsale ad oggi è considerato appartenere prevalentemente all'articolazione tibioastragalica ma con pochi gradi acquisiti dalla sottoastragalica. La distribuzione dei movimenti di inversione e/o eversione e di rotazione tra i due articolazioni è una zona di maggiore contesa, con qualche studio che indica come l'eversione si verifichi nella sottoastragalica e la rotazione/inversione avvenga nella tibioastragalica, mentre altri autori hanno dimostrato una versione meno dettagliata di distribuzione del movimento attraverso entrambe le articolazioni. Mentre l'analisi del cammino può essere utilizzato come uno strumento oggettivo per quantificare il movimento delle articolazioni degli arti inferiori e delle forze che agiscono su queste articolazioni, l'analisi del cammino non può separare il movimento che avviene nell'articolazione talocalcaneare (sottoastragalica), tibioastragalica (talocrurale) e trasversale-tarsale (talocalcaneonavicolare) a causa della grande limitazione nel misurare con precisione il movimento astragalico utilizzando marcatori montati sulla pelle. Tuttavia, nonostante questa limitazione, l'analisi del cammino è ancora uno strumento comunemente usato per la quantificazione della cinematica articolare complessa della caviglia.

Forze della caviglia

Il complesso tibiotarsico ha una forza di circa cinque volte maggiore il peso corporeo durante l'appoggio in cammino normale, e fino a tredici volte il peso corporeo durante le attività come la corsa. Il movimento della caviglia ottenuto dall'analisi del passo dimostra come nel momento di dorsiflessione, i flessori dorsali si contraggano eccentricamente per controllare la rotazione del piede sul terreno ed evitare che il piede colpisca il suolo. Durante la seconda fase, c'è un momento di passaggio dalla flessione dorsale alla flessione plantare, che consente la progressione della gamba sopra il piede. Durante la terza fase, il momento di flessione plantare continua con i flessori plantari che si contraggono concentricamente verso il primo dito. Con l'aumentare della velocità a piedi, i modelli di cinetica della caviglia rimangono simili di profilo, ma con maggiori grandezze.

La potenza della caviglia varia quando i principali muscoli che agiscono sul complesso della caviglia sono o la forza assorbente o la forza produttrice di energia durante il cammino. I valori negativi corrispondono all'assorbimento di potenza dei flessori plantari che si contraggono eccentricamente durante le fasi di rotolamento del calcagno e della caviglia. La potenza massima del complesso della caviglia viene generato circa verso il 50% del ciclo del passo durante la fase di avanzamento del corpo in avanti e corrispondente alla generazione di energia dei muscoli flessori plantari.

Studi sperimentali hanno indicato che circa l'83% del carico è trasmesso attraverso l'articolazione tibioastragalica, con il restante 17% trasmesso attraverso il perone. La quantità di carico trasferito attraverso il perone varia, con un aumento di carico che si verifica durante la dorsiflessione. Del carico trasportato attraverso l'articolazione tibio-astragalica, tra il 77% e il 90% viene applicata alla cupola astragalica, lasciando il carico distribuito attraverso le superfici mediale e laterale. Questa distribuzione del carico è compito sia delle forze legamentose sia degli effetti posizionali, con la faccetta mediale che subisce un maggior carico durante l'inversione, e la faccetta laterale esposta al carico massimo durante eversione.

La caviglia ha un livello relativamente elevato di congruenza, il che significa che nonostante si possano verificare carichi elevati durante le normali attività, l'area portante della caviglia è grande (11-13 cm2), ed è stato ipotizzato che questo dovrebbe tradursi in minore stress anche a livello dell'anca o del ginocchio. Un carico applicato staticamente di 1,5 kN (circa il doppio del peso corporeo) in uno studio su cadavere, con la caviglia in posizione neutra, ha dimostrato una pressione media di contatto di 9,9 MPa, e una zona di contatto di 483 millimetri2 , significativamente inferiore alla superficie proposta precedentemente. L'esplorazione delle pressioni sotto carico statico con la caviglia durante le fasi del ciclo del passo indicano che le pressioni di contatto sono generalmente superiori in flessione plantare rispetto alla dorsiflessione.