Mar 13, 2 settimane ago

L’ACL di Ray Williams… e altro

Il mio carissimo amico Giovanni Pontelli mi ha passato un interessante articolo del 2012, “Cruciate ligament loading during common knee rehabilitation exercises” del 2012, di Escamilla (che si aggiunge alla bibliografia di roba letta).

In questo articolo si fa il punto sul carico sui crociati durante esercizi, facendo una review degli studi. Ci sono interessanti affermazioni che mi permettono di testare il mio modello di ginocchio (che, ripeto, è il rifacimento di un modello noto in letteratura). Il confronto è positivo, cioè il modello che ho costruito produce risultati in linea con la letteratura (in appendice il confronto che ho fatto) e così mi permette di dire che grazie a questo modello posso spiegare i motivi dei risultati che si leggono, un valore unico.

Lo studio [39] citato in apertura è proprio nello stile di Escamilla: precisissimo ma arido e con pochissimi disegni. In pratica potete leggere una valanga di dati utilissimi per chi fa riabilitazione ma anche per chi in palestra ha a che fare con soggetti che vengono da un intervento al crociato anteriore, hanno fatto 2-3 sedute di fisioterapia e si sono rotti di pagare cioè una situazione tipica. 

Tutti quelli che sono impegnati in questo settore dovrebbero far proprie le indicazioni di questo studio, solo che sono talmente tante info che meglio sarebbe capire il perché di questi numeri. Faccio riferimento solo al crociato anteriore che è quello che si rompe di più, ma è possibile replicare tutto per il crociato posteriore (attenzione: non è che si cambia “anteriore” con “posteriore” e funziona tutto lo stesso… anzi, non è così).

Nello studio si leggono queste affermazioni:

  • Il picco di allungamento del crociato anteriore è tipicamente maggiore fra i 10° e i 15° di flessione, diminuisce fra i 15° e i 50° ed fra 50° e 90° è minimo o nullo.

  • Lo squat, gli affondi, salire su un gradino vedono il maggior allungamento del crociato anteriore a circa 30°

  • Si assume che l’allungamento del crociato anteriore sia minimo a gamba completamente estesa

  • L’allungamento del crociato anteriore è generalmente maggiore della leg extension da seduti che negli esercizi a catena cinetica chiusa. Per esempio la pressa con il 40° del proprio peso corporeo, salire le scale, fare gli affondi producono meno allungamento del crociato anteriore rispetto ad una leg extension senza peso

In questo disegno la forza di tensione sui crociati per Leg Extension (Leg E), Squat (sq), Leg Press (Leg P). Le curve vanno a zero e poi tornano a salire all’aumentare della flessione del ginocchio: per ogni curva, la parte a sinistra dello zero è tensione sul crociato anteriore, quella a destra è tensione sul crociato posteriore.

Il confronto è fra un esercizio a catena cinetica aperta, la leg extension, e 2 a catena cinetica chiusa, squat e leg press.

Si considerino le affermazioni B e C: si noti come per squat e leg press la tensione sul crociato anteriore si incrementi fino ad un massimo, intorno ai 20°, per poi diminuire per diventare nulla fra i 55 e i 60°. Provando vari assetti di posizione dei piedi, varie antropometrie, vari carichi, il risultato è bene o male sempre questo. Analogamente, la tensione sul crociato anteriore è nulla a gamba estesa, cioè in piedi nello squat e con il carrello in alto nella pressa.

Il comportamento è di questo tipo perché quando uno è in piedi non ha bisogno di contrarre i quadricipiti, che iniziano a generare forza quando inizia la flessione della gamba. Forza sul quadricipite, di conseguenza necessità di stabilizzare l’articolazione grazie alla trazione del crociato anteriore che compensa quanto la reazione tibio-femorale non riesce a fare. 

Aumentando la flessione, aumenta la forza sul quadricipite, aumenta la tensione sul crociato anteriore. Ad un certo punto, però, la tibia, la reazione del suolo e la forza di trazione del tendine rotuleo iniziano ad allinearsi e questo allineamento è sempre migliore via via che la flessione aumenta: non c’è più la necessità di una compensazione da parte del crociato anteriore, così la tensione su questo diminuisce fino a zero. Poi entra in gioco il crociato posteriore.

Se quello che ho scritto è poco chiaro, sappiate che è la spiegazione di quello che leggete senza capire sullo studio di Escamilla, e che per capire quello che ho scritto dovete… studiare (ad esempio gli articoli del blog). La Biomeccanica non si legge al cesso per rilassarsi, ma si studia anche al cesso però si studia.

B e C ce le siamo sfangate.

Si consideri A: di fatto, per i movimenti a catena cinetica chiusa A si spiega con la stessa spiegazione di B e C, per quelli a catena cinetica aperta (come la leg extension), gli andamenti della tensione sul crociato anteriore è di quel tipo perché alla massima estensione si ha anche il massimo disallineamento fra reazione tibio-femorale, forza sul pad e forza sul quadricipite. Questo allineamento diminuisce all’aumentare della flessione del ginocchio, da cui l’andamento e la giustificazione di A.

Per D è proprio così: la leg crea molto più stress sul crociato anteriore che lo squat o la pressa, proprio perché nei movimenti a catena cinetica chiusa a piccoli angoli di flessione le forze sul tendine rotuleo sono minime, e così minima è la tensione sul crociato anteriore, a grandi angoli le forze sul rotuleo sono grandissime ma la geometria del ginocchio a quelle inclinazioni fa si che la tensione sia nulla sul crociato anteriore. Questo non accade nella leg extension, dove nei primi gradi ho alta tensione sul tendine rotuleo e così sul crociato anteriore.

Nel grafico:

  • Leg extension con pad a 30 cm dal ginocchio e 20 kg di carico monolaterale

  • Squat con 160 kg di peso sul bilanciere, soggetto di 80 kg

  • Pressa con 200 kg, piedi in basso sul carrello, a 5 cm dalle guide.

Attenzione che se uno si è rotto il crociato posteriore vale l’inverso eh…

Leg extension for smart trainers

Adesso un grafico che, se ben usato, permette di far fare leg extension a tutti quelli che avrete fra le mani con il crociato in recupero, a patto che possiate variare la posizione del pad sulla leg extension.

Leg extension con 5 kg monolaterali sul pad: sposto il pad da 10 cm a 40 cm, la forza sui crociati, anteriore a sinistra dello zero, posteriore a destra dello zero per ogni curva.

Si noti come, semplicemente spostando la posizione del pad, sia possibile variare la tensione richiesta sui crociati. In [40] si identifica in circa 2600N la tensione massima sopportabile da un crociato anteriore, ok? Questi valori sono dedotti da studi su cadaveri di gente che ha donato il proprio corpo alla Scienza, studi anche su soggetti giovani, ma è altamente improbabile che fossero powerlifters, pesisti, gente che si massacrava sotto lo squat e questo è importante, come vedremo.

Adesso vi arriva in palestra uno che non vuole pagare la fisioterapia, con il crociato ricostruito e una enorme perdita di tessuto muscolare… e vuole PER FORZA fare la leg extension perché l’ha visto su youtube. Dovete fare in modo che il tizio non si auto-massacri il crociato (che tanto poi è colpa vostra se vi fa causa e il mondo è pieno di teste di cazzo) ma non potete fare il finto fisioterapista (cosa che piace tanto al laureato in Scienze Motorie, mentre al fisioterapista piace fare il finto fisiatra. E al fisiatra che piace fare? Boh… il finto cardiochirurgo che trapianta cuori?)

Perciò potete fare così: piazzate il pad della leg extension a 10 cm vicino al ginocchio, sulla curva leggete che il picco di tensione sul crociato anteriore, se piazzate 5 kg, è pari a 50N.

Le forze in gioco si moltiplicano all’aumentare del peso, cioè i 50N diventano 100 se da 5 kg si passa a 10 kg e così via. Per avere 2600N, il massimo sopportabile sul crociato anteriore, dovrete così caricare la leg per un peso che calcolate con la proporzione:

2600 : X = 50 : 5

Cioè il massimo carico per arto è 260 kg. Diciamo che se mettete il pad a 10 cm dal ginocchio e caricate con 20 kg il crociato non ha alcun danno, anche se fosse ricostruito con la carta velina, dai… e 20 kg sono un carico che per chi ha perso massa muscolare è impegnativo.

Poi, nel tempo, caricherete sempre di più fino a che non tornerete indietro con il peso e sposterete il pad più in basso, ripetendo lo stesso conto.

“Ma perché non lasciare il pad dove è e mettere meno?” Giusto. Vediamo. Lasciate il pad a 35 cm, la massima tensione sul crociato anteriore è 550 N quando il carico sulla leg extension è sempre 5 kg per arto, come si legge dal grafico. Ripetendo lo stesso ragionamento si ha che il massimo carico è pari a 23 kg.

Ma 22 kg sono un carico che dopo un po’ i muscoli del soggetto gestiscono alla superstragrande, ma non potete aumentare il peso perché altrimenti la tensione sul crociato anteriore diventa troppa.

Il punto cioè è questo: un conto è la tensione sul crociato anteriore, un conto è la tensione sul quadricipite. L’allenamento deve creare stress sul muscolo, non sul legamento. Perciò con la posizione del pad gestite la tensione sul crociato anteriore, con il carico della leg la tensione sul quadricipite. A questo dovrebbero servire certe info… 

Lo squat di Ray Williams

Infine, un altro mio carissimo amico, Massimiliano Buccioni che è un powerlifter di livello mondiale (e non scherzo, i mondiali IPF lui li ha fatti davvero) mi ha posto un quesito.

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Il mio amico Massimiliano Buccioni mi chiede: “Paolo, questo è Ray Williams lui pesa 187 kg, ha fatto 477 kg di squat raw. All’inversione quanta forza devono generare i tendini rotulei?”. E ha scatenato il nerd che è in me…

Ok, ho provato a stimare il dato, prendendo a riferimento gli squat che ho digitalizzato negli anni. La difficoltà è calcolare l’accelerazione del tronco all’inversione, però alla fine, è solo algebra.

Il risultato è pazzesco, mostruoso, vi metto il grafico espresso in kg equivalenti.

Nessun testo alternativo automatico disponibile.

  • Fpt è la forza del tendine rotuleo, tira l’equivalente di 1 tonnellata e 700 kg

  • Fq è la forza del quadricipite (sì, genera meno trazione del tendine rotuleo, perchè? millemila pallosi articoli)

  • Fpf è la compressione patellofemorale, fra rotula e femore, come se premesse un carico di 1 tonnellata

  • F PCL è la forza di trazione del crociato posteriore, che tira per poco più di 1 tonnellata

  • Rtf è la forza di compressione tibiofemorale, fra femore e tibia, oltre 3 tonnellate di carico

C’è da chiedersi se questi dati siano reali o meno. Il modello con pesi normali restituisce dati coerenti con quelli degli studi, perciò… Ray Williams riscrive i limiti dei carichi tollerabili dall’Uomo. Del resto gli studi sono fatti su cadaveri, non su colossi di questo tipo…

Ovviamente c’è da dire che i modelli non tengono conto di tutte le strutture articolari del ginocchio, i menischi ad esempio che creano una superficie di contatto più ampia e non puntiforme, il fatto che esistono molti altri legamenti nel ginocchio stesso (es i collaterali) che partecipano alla tensione necessaria per stabilizzare il ginocchio stesso. Tutto questo farebbe calare di sicuro i livelli di tensione sui legamenti e di compressione sulle cartilagini.

Non solo, l’idea che ci siamo fatti è che la massa grassa sia funzionale all’alzata: lui appoggia la pancia sulle cosce e le cosce sui polpacci, avendo un supporto di sicuro. Di fatto, è come se avesse delle fasce e un corpetto.

Questo da un lato farebbe calare i valori di forza che il suo ginocchio deve generare, dall’altro spiegherebbe anche perchè questi supermassimi hanno una differenza raw-gear molto inferiore al normale.

Attualmente il record gear dei supermassimi è 505 kg, cioè una differenza di 30 kg circa con quello raw. Viceversa se si prende una cat. -83 kg la differenza è di 100 kg, secondo noi perchè a -83 non c’è massa di tessuti (muscoli o grasso) per fare da supporto.

Ecco la sua prova di squat

https://www.youtube.com/watch?v=I5bMH4Qeepw

Ah… per calcolare le barrette ho fatto così:

  • Ho un omino parametrizzato con le masse e le lunghezze, gli ho dato l’altezza e il peso di Ray. Ovviamente è impossibile considerare i volumi delle parti corporee.

  • Ho ipotizzato un profilo di discesa e risalita di squat, ho scelto la posizione con il femore parallelo al terreno.

  • Come velocità e accelerazione ho considerato quelle di un 300 di squat da me digitalizzato, ho preso l’accelerazione al punto di inversione.

  • Ho calcolato l’accelerazione verticale del centro di massa dell’atleta e ci ho sommato quella del bilanciere

  • Questo numero è la forza di reazione del suolo e l’ho inserita nel modello del ginocchio e ho calcolato quei valori.

Appendice – Un confronto con la letteratura

Nello studio [38] citato in apertura, quello di Escamilla, si fa riferimento ad un altro studio, [41] cioè “Dependence of cruciate-ligament loading on muscle forces and external load” di Pandy, del 1997. Pandy è un ricercatore che ha dato contributi unici nella creazione di modelli biomeccanici che poi ritroviamo in OpenSIM e in tutti i simulatori, quei programmi fighissimi che però poi si usano senza capire cosa c’è dietro.