Universidad Nacional de San Juan Facultad de Ingeniería Departamento de Electrónica, Automática y Bioingeniería Carrera de Bioingeniería Asignatura Biomecánica Unidad Nº 2: Biomecánica Postural Parte 3: Biomecánica de la postura de bipedestación Dra. Ing. Silvia E. Rodrigo 2018
UNIDAD 2: BIOMECÁNICA POSTURAL Análisis de la postura corporal desde el punto de vista geométrico y cinético. Conceptos de estabilidad, balance y equilibrio. Biomecánica de las posturas de bipedestación y sedestación. Aplicación a la Ergonomía.
Conceptos de estabilidad, balance y equilibrio corporal Al analizar la postura y el movimiento del cuerpo humano, se definen: Equilibrio estático: indica un estado de aceleración nula perdurable en el tiempo. Equilibrio dinámico: ocurre cuando para cada instante de tiempo, las fuerzas internas y externas que actúan sobre el cuerpo humano están balanceadas, tal como ocurre durante la actividad corporal o incluso, para posturas como la bipedestación. Estabilidad: resistencia al cambio en la aceleración del cuerpo humano o más precisamente, resistencia a la perturbación del equilibrio corporal. Balance: habilidad para mantener o controlar el equilibrio corporal, tanto durante una postura, como durante el movimiento o actividad del cuerpo humano.
Dado que cada cambio postural o movimiento corporal produce un cambio de posición de su centro de masa, para mejorar el equilibrio, maximizar la estabilidad y lograr balance corporal se requiere que: la base de sustentación del cuerpo humano sea lo más amplia posible, la línea de gravedad del cuerpo (proyección vertical desde el centro de masa de la fuerza del peso corporal) caiga dentro de la base de sustentación.
Base de sustentación del cuerpo humano: área definida por un pie o ambos pies en apoyo con el suelo.
El cuerpo humano en posición de bipedestación es menos estable cuando los pies están paralelos y juntos que cuando están separados, ya que en este caso aumenta la base de sustentación y por lo tanto, disminuyen los riesgos de caída.
Biomecánica de la Postura de Bipedestación Es una postura distintiva del ser humano, caracterizada por una base de sustentación estrecha y una posición alineada en forma óptima de los segmentos corporales, por efecto de la presencia de las curvaturas cervical, toráxica y lumbar de la columna vertebral, típicas en sujetos adultos saludables. La pelvis cumple un rol fundamental para alinear los distintos segmentos corporales durante la bipedestación, al conectar como si fuera una vértebra más, la columna con la cadera y las extremidades inferiores.
Considerando que todas estas estructuras están sujetas a la ley de la gravedad, a lo largo de la historia la relación entre la pelvis y la columna vertebral evolucionó de forma tal que la pelvis se ensanchó y verticalizó, conduciendo a las curvaturas espinales típicamente observadas en el plano sagital, así como a cambios profundos de la musculatura que soporta la columna.
Vista sagital del esqueleto de un primate, mostrando que la espina no exhibe lordosis, sino que tiene forma de C.
Cifosis Lordosis Vista sagital de la espina del ser humano, que exhibe una lordosis lumbar, cifosis toráxica y lordosis cervical.
No se puede hablar de una postura bípeda estándar o normal para toda la población, ya que ésta va cambiando con la edad, en función del desarrollo de las curvaturas de la columna vertebral y de la posición del centro de gravedad (CDG). En la cifosis toráxica adultez se observan las 3 curvas típicas. cifosis lordosis cervical y lumbar
Es justamente el mantenimiento de una postura corporal que alinea verticalmente y en forma simultánea el tronco, las caderas y las extremidades inferiores, lo que permite la locomoción bipedal del cuerpo humano.
Una postura de bipedestación eficaz es aquella en la que el cuerpo se halla en una alineación tal que permite sostener la verticalidad del esqueleto con el mínimo esfuerzo y libre de tensiones innecesarias, dejando los músculos en libertad y disponibles para la ejecución de actividades. Tal postura se logra cuando la línea de gravedad cae dentro de la base de sustentación corporal. Se dice que ésta es una postura ergonómica porque los distintos segmentos y articulaciones se alinean en dirección vertical, en una posición fisiológica que demanda el mínimo gasto de energía metabólica.
Respecto de la posición del CDG, en un adulto sano se sitúa sagitalmente detrás de las cabezas femorales, y frontalmente a nivel del sacro entre las hemipelvis izquierda y derecha, en un punto equidistante entre ambas cabezas femorales. Visualización del CDG y de la línea de gravedad en los planos sagital y frontal durante la bipedestación del cuerpo humano. La proyección de esta línea sobre el suelo en el plano frontal corresponde a un punto ubicado dentro de la base de sustentación.
Con el fin de determinar (tanto en condiciones normales como patológicas) el grado de equilibrio corporal en bipedestación, interesa conocer: a) cuáles son los mecanismos a los que recurre el cuerpo humano para mantener el equilibrio, b) cómo puede valorarse este equilibrio para proporcionar información de utilidad clínica.
Desde el punto de vista cinético, la postura de bipedestación se describe a partir del equilibrio dinámico que se establece entre la fuerza del peso corporal (virtualmente aplicada en su centro de masa) y la fuerza de reacción del suelo (FRS, cuya punto de aplicación es el punto del pie en contacto con el suelo). Tal equilibrio se logra mediante el control que ejerce el Sistema Nervioso Central (SNC) para generar un tono muscular postural adecuado para mantener esta postura del cuerpo humano.
Independientemente de si el cuerpo humano tiene una postura o está en movimiento, permanentemente está sometido a perturbaciones desestabilizantes, tales como las pequeñas perturbaciones que actúan internamente en el cuerpo humano (por ej., respiración, transferencia del peso del cuerpo de una extremidad a la otra, o desde el talón a la punta del pie en una misma extremidad), así como perturbaciones externas (distorsiones visuales, movimientos del suelo), que tienden a hacerle perder el equilibrio.
En cualquier postura y ante cualquier situación desestabilizante, el cuerpo humano busca su posición de equilibrio; es lo que en el ámbito clínico se denomina control postural. Control postural: capacidad del SNC para mantener el centro de gravedad corporal dentro de su base de sustentación, con el fin de lograr el equilibrio durante una postura o movimiento del cuerpo humano. En ambos casos, el SNC es el encargado de proporcionar el balance requerido para mantener el cuerpo en equilibrio.
Cómo se logra el equilibrio corporal? El equilibrio, tanto durante la postura como durante el movimiento (actividad) del cuerpo humano, se logra a partir de la realimentación al SNC de señales provenientes de receptores sensoriales de los sistemas vestibular, visual y somatosensorial, así como de reacciones o reflejos posturales (feedback y feedforward) y de las experiencias personales (memoria), cuya información es integrada y procesada por el SNC. El adecuado control postural depende de la integridad de todos estos sistemas y de sus complejas interacciones.
El sistema vestibular es la pieza básica para el mantenimiento del equilibrio en posición de bipedestación y durante la actividad. Dispone de unos sensores de movimiento que generan los reflejos vestíbulo-ocular (RVO) y reflejos vestíbulo-espinal (RVE) y envían esta información al SNC.
En respuesta a los RVO, el SNC genera movimientos oculares para conseguir una visión nítida durante los movimientos de la cabeza, sincronizando bilateralmente los movimientos de los ojos. Por su parte, en respuesta a los RVE, el SNC origina movimientos corporales compensadores para mantener el equilibrio postural durante la bipedestación y la actividad.
El SNC procesa e integra la información de entrada vestibular, visual y somatosensorial suministrada, así como la proveniente de los reflejos posturales y de la memoria para elaborar una respuesta motora y visual con el objeto de mantener el control postural y la visión estable, así como lograr una correcta posición de la cabeza y del cuerpo en el espacio.
La respuesta motora se relaciona con la activación de los músculos W antigravitatorios para mantener o corregir la postura corporal.
Relación entre balance y postura La alineación postural (y los cambios o ajustes efectuados por el SNC frente a las perturbaciones) es la manera que tiene el cuerpo humano de mantener el balance. Si el CDG no cae dentro de la base de sustentación, el cuerpo humano estará desbalanceado y en consecuencia, perderá el equilibrio. Bipedestación Pie izq. Pie der. Marcha x dirección de avance x x: proyección vertical del CDG
Estrategias del SNC para mantener el equilibrio corporal Tobillo Cadera Paso al frente
Técnicas de Valoración de la Postura de Bipedestación La valoración puede hacerse en condiciones estáticas o funcionales. Valoración Estática: se realiza un posturograma para valorar cualitativamente la postura del individuo respecto de los 3 planos del espacio: frontal, sagital y horizontal. Permite visualizar en una grilla la alineación del cuerpo humano completo y de cada segmento entre sí, y analizar sus consecuencias relacionadas con la potencial aparición de lesiones músculo-esqueléticas.
Valoración Funcional de la Postura Examina las interferencias provenientes de los receptores sensoriales específicos de la postura (visual, vestibular y propioceptiva), que proporcionan información de entrada al SNC y que condicionan el tono muscular de salida de los músculos antigravitatorios.
En este caso, las técnicas de valoración exploran la contribución de cada tipo de receptor para mantener la postura de bipedestación, a fin de detectar alteraciones del equilibrio provenientes de vértigo o inestabilidad, relacionadas directamente con el sistema vestibular. Resulta dificultoso aislar el sistema vestibular de la visión y de la propiocepción, también implicados en el mantenimiento del equilibrio, y por tanto, desarrollar sistemas de valoración objetivos y reproducibles del control postural.
Para lograr esta diferenciación se utilizan los tests de Romberg y de Unterberger- Fukuda, que son pruebas de valoración cualitativa. Tales test se combinan con las técnicas de valoración funcional cuantitativas, que se mencionarán más adelante.
TEST de ROMBERG: es una prueba de equilibrio estático en donde el paciente está en posición de firme con los pies juntos, brazos a los lados y ojos cerrados. - Negativo: cuando no existe oscilación. - Positivo: cuando existe oscilación. - Periférico: desviación hacia el lado afectado y se corrige al abrir los ojos. - Central: oscilaciones hacia todas las direcciones que NO se corrigen al abrir los ojos.
TEST de UNTERBERGER-FUKUDA: es una prueba de equilibrio dinámico que consiste en marchar con ojos cerrados en el sitio, a modo de soldado, a alrededor de 80 pasos por minuto. - Negativo: cuando se mantiene en posición firme hasta el final de la prueba. - Positivo: cuando existen desviaciones superiores a 45º. - Periférico: desviación hacia el lado disfuncionante.
Como se mencionó, estos tests también se utilizan en combinación con las técnicas cuantitativas de valoración funcional, que registran las oscilaciones posturales mediante 2 métodos bien diferenciados: a) Registro de las oscilaciones posturales a nivel de la cabeza o de otros segmentos corporales, b) Registro de oscilaciones posturales a nivel de los pies, que valoran el movimiento del centro de gravedad (CDG) del sujeto registrando del movimiento del centro de presiones (CPG) en los pies.
Oscilaciones Posturales a nivel de la Cabeza Para el registro de estas oscilaciones se utiliza una técnica denominada craneocorpografía, que consiste en registrar mediante una cámara de video la posición de marcadores reflectivos colocados en un casco usado por el paciente (parte anterior y posterior de la cabeza) y en ambos hombros. La luz reflejada por los marcadores incide en un espejo ubicado en el techo y es filmada por una videocámara y enviada a una PC, en donde se analizan las señales.
Mediante la craneocorpografía se evalúa al paciente mientras realiza pruebas de equilibrio estático (test de Romberg) y de equilibrio dinámico (test de Unterberger- Fukuda), con el propósito de valorar la integridad del sistema vestibular. Para ambos tests se anula la visión del paciente por medio de un antifaz, con lo cual se elimina el estímulo visual.
En pruebas neurológicas básicas, se registran y contrastan las oscilaciones de la cabeza mientras se realiza el test de Romberg con ojos abiertos y cerrados para evaluar el reflejo vestíbulo-espinal (RVE). El registro de oscilaciones posturales de la cabeza se efectúa en dirección antero-posterior (AP) y en dirección medio-lateral (ML) del sujeto, y se construye un estabilograma. Esta prueba permite por ejemplo, diferenciar patologías vestibulares de otras de tipo cerebelosa, ya que la primera se manifiesta por una tendencia del paciente a caer hacia el lado afectado.
ESTABILOGRAMA: trazado superior, oscilaciones posturales derechaizquierda (ML); trazado inferior, oscilaciones posturales anterior-posterior (AP). En abscisas, tiempo en seg.; en ordenadas, la amplitud de las oscilaciones en cm.
Además, si durante el registro de oscilaciones posturales de la cabeza (con ojos cerrados) el paciente realiza el test de Unterberger-Fukuda sobre una plataforma no uniforme, se valora el estímulo del sistema propioceptivo, ya que el paciente pierde contacto con el piso mientras está dando pasos. En este caso, el paciente sólo mantiene el equilibrio por los estímulos recibidos de ambos sistemas vestibulares (izq. y der.) y por lo tanto, cualquier desviación, rotación y oscilación lateral más allá del rango normal indicará el compromiso del sistema propioceptivo.
Mediante las oscilaciones posturales a nivel de la cabeza (combinada con los 2 tests de Romberg y Unterberger-Fukuda) se valora entonces: El desplazamiento longitudinal (oscilación AP), que es el rango de la oscilación de la cabeza en esa dirección. El desplazamiento lateral (oscilación ML), que es el el rango de la oscilación de la cabeza en esa dirección. La desviación angular, que es el ángulo entre la dirección inicial del punto de partida y el punto final. La rotación angular, que es la rotación alrededor del eje longitudinal del cuerpo humano.
Oscilaciones Posturales a nivel de los Pies Esta técnica de valoración cuantitativa se basa en el empleo de plataformas dinamométricas o de fuerza, que registran los movimientos del centro de presiones (CDP) sobre la planta del pie, valorando así la integridad de la información sensorial y motora que permite mantener el equilibrio corporal en bipedestación.
Se mencionó anteriormente que la fuerza más común que interactúa con el cuerpo humano en contacto con el suelo es la fuerza de reacción del suelo (FRS), aplicada actúa en la planta del pie en apoyo, tanto en condiciones estáticas como dinámicas. Además de su componente vertical, dos componentes tangenciales a la planta del pie actúan a lo largo de la superficie de la plataforma de fuerza, en las direcciones anteroposterior (AP) y medial-lateral (ML).
Durante el registro, el paciente permanece de pie en la plataforma de fuerza, que cuenta con 4 sensores de presión triaxiales, ubicados en cada esquina). Cada sensor produce un voltaje proporcional a la presión soportada. La posición del centro de presiones (CDP) se calcula a partir de la sumatoria de las señales obtenidas.
Un tipo de plataforma de fuerza consiste en una superficie plana soportada por 4 transductores triaxiales colocados en cada una de sus esquinas. Se definen: coordenadas de los transductores: (0,0), (0,Z), (X,0), (X,Z), comp. vertical de la FRT: F 00, F X0, F 0Z y F XZ. Y Z X
Luego, la fuerza vertical total es: F Y = F 00 + F X0 + F 0Z + F XZ. Si las 4 fuerzas son iguales, el CDP está en el centro de la plataforma (X/2, Z/2). En general, las coordenadas (x, z) del CDP se calculan como: Y Z X
Otro tipo de plataformas de fuerza utilizada tiene una celda de carga central, y las coordenadas del centro de presión se calculan a partir de la torca o momento de fuerza: M y = Fz COP x COP x = M y / Fz M x = Fz COP y COP y = M x / Fz
Las plataformas dinamométricas miden la posición del CDP, es decir, el punto de aplicación de la fuerza de reacción del suelo (FRS), que se relaciona con el control postural que ejerce el SNC. El control que ejerce el SNC para neutralizar las fuerzas y momentos desestabilizantes se refleja en el movimiento del CDP, que es la respuesta neuromuscular al cambio de posición del CDG corporal.
En bipedestación, cada movimiento o cambio postural produce un cambio de posición del CDG corporal respecto de la base de sustentación con el fin de preservar el equilibrio.
- Qué tipo de equilibrio se establece aquí? - Qué ecuación caracteriza este equilibrio? Sujeto balancéandose hacia adelante y atrás mientras permanece en bipedestación sobre una plataforma de fuerzas. Las 5 posiciones muestran la localización del centro de gravedad y del centro de presiones, junto con las velocidades y aceleraciones angulares del cuerpo asociadas.
Registro de 7 segundos mostrando las representaciones del CDG y del CDP para un sujeto en posición de bipedestación. Las excursiones del CDP son de mayor frecuencia y amplitud que las correspondientes a las del CDG corporal.
El control postural durante el movimiento representa la habilidad de mantener el CDP dentro de los límites de estabilidad determinados por la base de sustentación. Mediante la plataforma de fuerza se registran los desplazamientos del CDP en dirección anteroposterior (AP) y medio-lateral (ML)
Con el paciente ubicado sobre la plataforma de fuerza estable e inestable, se registran las oscilaciones posturales de los pies mientras se realiza el test de Romberg (p. equilibrio estático).
Se obtiene un estabilograma, en donde las oscilaciones AP y ML pueden representarse en forma independiente en función del tiempo, o en un diagrama polar, conocido como estatoquinesigrama.
Límites de estabilidad del cuerpo humano
La información proporcionada por el estabilograma (coordenadas AP y ML del COP en función del tiempo) y el estatoquinesigrama (mapa del comportamiento del COP en el plano horizontal) es utilizada por los médicos clínicos e investigadores como representación visual general de la respuesta motora que exhibe el SNC. Sin embargo, el cálculo de otras variables del COP a partir de sus coordenadas, brinda información cuantitativa y más detallada de los mecanismos involucrados en la regulación de la postura de bipedestación. Estas variables se dividen en globales y estructurales.
Las variables globales valoran la magnitud de las componentes AP y ML del COP y de su resultante, tanto en el dominio temporal como frecuencial. Habitualmente se considera que mientras mayor es la magnitud o desviación de una variable global respecto de los valores normales de referencia, más pobre será el equilibrio postural. Otras variables globales son: área de la elipse definida por los pies en apoyo; rango del COP en direcciones AP y ML; COP_ AP versus COP_ ML ; velocidad del COP, etc.
Sin embargo, estas variables globales no son sensibles a la estructura de la variación, que potencialmente puede proveer información esencial sobre el proceso de control postural en una variedad de contextos. Aparecen así las variables estructurales, que descomponen los patrones de oscilación del COP en subunidades que luego se correlacionan con el proceso de control motor del SNC durante la bipedestación. Claramente, la obtención de variables globales y estructurales requiere la aplicación de técnicas de procesamiento de señales de menor y mayor complejidad, respectivamente.
Análisis de oscilaciones posturales en la escoliosis La escoliosis, o curvatura anormal de la columna vertebral, afecta aproximadamente al 3% de la población. Los casos leves pueden no afectar la vida diaria, pero los casos graves pueden ser dolorosos y limitar la actividad normal.
Existen muchas causas para la escoliosis, incluyendo deformidades de la columna vertebral congénitas (presentes en el nacimiento, ya sean heredadas o provocadas por el entorno), afecciones genéticas, problemas neuromusculares y longitud desigual de los miembros. Otras causas incluyen parálisis cerebral, espina bífida, distrofia muscular, atrofia muscular espinal y tumores. Más del 80% de los casos de escoliosis, sin embargo, no tiene ninguna causa conocida. Generalmente, una curva se considera importante si es mayor de 25 a 30 grados. Las curvas que exceden 45 a 50 grados se consideran graves.
Síntomas Varían con cada persona. Los más comunes son los siguientes: Hombros a distintas alturas, un omóplato más prominente que el otro Cabeza no centrada directamente sobre el punto medio entre las dos hemipelvis Apariencia de cadera elevada, prominente Cajas torácicas a distintas alturas Cintura desigual Cambios en el aspecto o la textura de la piel que recubre la columna vertebral Apoyo de todo el cuerpo en un lado Prominencia costal cuando se agacha
PG1: Valoración de oscilaciones posturales mediante plataforma de fuerza Se trabajará con una base de datos disponible, que contiene señales registradas en una plataforma de fuerza. Para encontrar las coordenadas del CDP (en inglés, COP), se aplica la ecuación de torca de una fuerza. Las fuerzas y torcas registradas por la plataforma de fuerza son la fuerza y la torca de reacción del suelo, de acuerdo con la 3 ley de Newton.
COP, etc. A partir de las coordenadas AP y ML de COP, se calcularán variables globales del CDP para un caso normal y uno patológico, tales como el área de la elipse conformada por las componentes AP y ML de COP, rango de COP en las direcciones AP y ML, trayectoria y velocidad para ambas componentes de