2. ANATOMÍA HUMANA 2.1. GEOMETRÍA

Transcripción

1 2. ANATOMÍA HUMANA Durante la marcha, el cuerpo humano se rige mediante movimientos no lineales, además el movimiento de los tejidos blandos puede ser despreciable frente a la dinámica global del movimiento. Por ello, el uso de los sistemas multicuerpo puede resultar una buena aproximación para el movimiento del esqueleto humano. El sistema multicuerpo se compone de segmentos rígido unidos entre sí por las articulaciones. Este proyecto se basa en el estudio del tren inferior del cuerpo, analizando el movimiento de tobillos, rodillas y cadera. A continuación se establecen las convenciones de geometría adoptadas que regirán el movimiento del cuerpo humano. Dicha geometría definirá la reconstrucción del modelo a partir del esqueleto. Seguidamente se describirán la anatomía del tren inferior humano, así como las articulaciones, que nos permitirán posteriormente definir el modelo más adecuado. Por último se incluye una descripción de la marcha humana, que establece los instantes para la captura del movimiento del sujeto GEOMETRÍA A la hora de definir un sistema de referencia para el cuerpo humano, se establece por convención el origen en el centro de masa de la pelvis, Figura 5. Considerando un sistema de coordenadas cartesianas, el eje X indica la dirección de avance, el eje Z la dirección vertical y el eje Y la dirección lateral hacia la izquierda del sujeto. El plano formado por los ejes XY o plano horizontal divide el cuerpo en el tren superior e inferior. El plano XZ o plano sagital divide el cuerpo en derecha e izquierda y por último el plano ZY o plano coronal divide el cuerpo en anterior o posterior [2]. Por convención se establece el centro de la pelvis como el centro de gravedad del cuerpo, Figura 6, de forma que el movimiento de traslación se define a partir de este punto. Igualmente los movimientos relativos de las extremidades se definen a partir del segmento de la pelvis: desde la pelvis hacia la cabeza son movimientos ascendentes y desde la cintura hacia el pie movimientos descendentes. El plano coronal también divide los movimientos en anteriores (de avance) o posteriores (retroceso) y por último el plano sagital divide los movimientos en laterales si se alejan del plano y mediales si se mueven hacia el plano [2]. 13

2 Figura 5. Sistema cartesiano de referencia [2] Figura 6. Convención de movimientos [2] Los movimientos de las extremidades se definen también según convenios, donde se establecen las terminologías que definen la flexión, abducción, extensión, etc. Para las caderas y rodillas se definen flexión y extensión como los giros que acercan o alejan las extremidades entre sí en el plano sagital. Las acciones de acercar o alejar las extremidades en el plano coronal se conocen como abducción o aducción. En los tobillos las acciones de acercar o alejar en el plano sagital se denominan flexión plantar y dorsiflexión, mientras que las rotaciones externas con elevación del extremo externo o interno del pie se denominan eversión e inversión [2]. En la siguiente Figura 7 se aprecian con claridad dichos ángulos. 14

3 Figura 7. Convención de giros [2] 2.2. ESTRUCTURA ÓSEA Para la construcción de un modelo multicuerpo, se divide el esqueleto en segmentos. La pelvis compone el segmento central que une ambas piernas. El muslo compone el siguiente segmento, que une la pelvis en la cadera con la pierna en la rodilla. Le sigue el segmento de la pierna que une el muslo en la rodilla con el pie en el tobillo. El último segmento se correspondería con el pie, donde a pesar del número de huesos existente y de la posibilidad de movimientos relativos en esta extremidad se considera como un todo, un único segmento rígido. Figura 8. Correspondencia huesos-segmentos [3] Sin embargo, a pesar de la correspondencia existente entre cada segmento y el hueso al que representa, las longitudes no son iguales. Para la construcción del modelo deben tenerse en cuenta que las longitudes anatómicas son las longitudes de los huesos, mientras que las longitudes de los segmentos o longitudes biomecánicas son las longitudes entre los 15

4 centros de las articulaciones que limitan el segmento. Además, para la correcta representación de las articulaciones debemos primeramente describir y analizar cada una de forma que se determine la mejor aproximación a su comportamiento dentro del cuerpo humano. Cadera La cadera resulta ser la articulación más grande del cuerpo y también la más estable. Parte de su estabilidad se basa en su configuración esférica, que además de permitir una gran movilidad le otorga una rigidez importante. La cadera permite movimientos de flexión de hasta 145º con la rodilla flexionada y de 90º con la rodilla extendida. La extensión de la cadera se encuentra entre los 20 30º según la posición del tronco superior [6]. Figura 9. Perfil de la cadera [6] El movimiento de abducción normalmente se produce en ambas caderas a la vez, de forma que al alcanzarse los 90º, la mitad corresponde a cada cadera, siendo el máximo aproximado de 45ºpara cada pierna. La aducción normalmente acompaña a los movimientos de abducción al producirse inclinaciones del tronco superior. Su máximo puede encontrarse alrededor de los 30º, dependiendo de la combinación de movimientos. Los ángulos de rotación de la cadera se encuentran entre 30º para medial y 60º para lateral [6]. Sin embargo, todas estas posiciones se suponen para una persona media, siendo la mayoría de estos ángulos superables con entrenamientos y ejercicios. La combinación de flexión y extensión puede alcanzar los 180º, al igual que ocurre con la abducción-aducción [6]. En niños, los ángulos de flexión y aducción son similares a los adultos ya mencionados. Sin embargo se produce una rotación de la cadera de unos ±10º igual para ambos sexos, que durante un crecimiento normal debe disminuir hasta los 5º de rotación interna en adultos Rodilla La rodilla es la articulación intermedia del tren inferior con un único grado de libertad de flexión-extensión mayormente, aunque permite cierto desplazamiento vertical que actúa como amortiguamiento durante la marcha. Sin embargo, la rodilla debe aportar no sólo gran estabilidad en la extensión, sino también gran movilidad para la orientación del pie durante la marcha y la carrera [2]. 16

5 Figura 10. Rodilla [3] Esta articulación es bastante inestable durante la flexión pero aún más durante la extensión. La complejidad de las superficies de contacto y los ligamentos involucrados consigue cumplir las funciones de la rodilla, aunque también hace que aumenten las dislocaciones y roturas de las partes que la componen. Los ángulos de flexión normales para adultos se encuentran entre los50-60º [6], mientras que para niños pueden alcanzarse los 70º [22]. Sin embargo la mayor diferencia se produce en aducciones y torsiones, mientras que para adultos las variaciones en aducciones son de unos +10º durante la marcha [2] y en torsiones entre 4-18º [23], en niños pueden considerarse aceptables entre ±10º para ambas. Estas diferencias se deben a la mayor elasticidad de las articulaciones, que suelen estabilizarse en torno a los 10 años cuando comienzan a acercarse a los valores de adultos [22]. Se tiene por tanto que la rodilla permite básicamente movimientos de flexiónextensión, con pequeñas aportaciones de abducción-aducción y rotación interna-externa. Tobillo Por último, tenemos el tobillo cuya función es la de unir la pierna al pie y permitir la adaptabilidad del cuerpo a las variaciones del terreno durante la marcha. Es una de las articulaciones más complejas, sometida a fuertes presiones, que incluyen no sólo el peso del todo el cuerpo, sino también las fuerzas inerciales producidas durante la marcha, carrera o salto [6]. El tobillo se compone en realidad de dos articulaciones, el tobillo en sí y la articulación subtalar, localizada justo debajo del tobillo, permitiendo ambas en conjunto tres giros. La mayor parte del movimiento tiene lugar en el plano sagital y se compone de flexión plantar, que puede ir desde los 40º a los 55º, y dorsiflexión, que puede ir de los 10º a los 20º. En el plano transversal se producen los movimientos de aducción-abducción y en el plano frontal la inversión-eversión [6]. En niños los ángulos de dorsiflexión y flexión plantar son similares a adultos, produciéndose la diferencia principalmente en la rotación. La rotación interna en tobillo en niños puede llegar a los 10º, mientras que la rotación externa puede alcanzar los 20º. Estas diferencias se deben a la mayor flexibilidad en las articulaciones en niños, que desaparece en un crecimiento normal en torno a los 10 años asemejándose los ángulos a los adultos [22]. 17

6 2.3. CICLO DE LA MARCHA El ciclo de la marcha es normalmente simétrico y aproximadamente cíclico, con un desfase de 180 grados entre los extremos derecho e izquierdo. Por tanto sólo es necesaria la representación de una muestra que defina la marcha. Un ciclo de marcha se comprende entre dos pasos sucesivos de una misma extremidad, desde el apoyo del talón hasta dos apoyos sucesivos. El ciclo de un paso puede ser dividido en 4 fases [3]: -Fase de pre-apoyo: desde que el talón toca el suelo hasta que los dedos tocan el suelo. -Fase de apoyo: el pie se encuentra en contacto con el suelo y soporta el peso del cuerpo. -Fase de despegue: desde que el talón se despega del suelo hasta que los dedos del pie se despeguen totalmente. -Fase de oscilación: la pierna oscila hacia delante marcando el paso. Figura 11. Ciclo de la marcha [3] El ciclo de la marcha buscado en las captura será por tanto el definido en la Figura 11, tomándose el comienzo del ciclo con el pie derecho o izquierdo según la pierna a tratar. Dicha captura será posteriormente normalizada, de forma que se visualice el ciclo en porcentajes como ocurre en la Figura