Biomecánica de la marcha

El tema de hoy va a tratar sobre la biomecánica de la marcha, he escogido un tema porqué es un tema muy importante de la vida diaria de todas las personas, creo que el analizar la marcha nos puede ayudar a tomar más conciencia de nuestros apoyos con la Tierra.

La biomecánica es la ciencia que estudia la aplicación de las leyes de la física y la mecánica al movimiento de los seres vivos. No debe interpretarse basándose en la anatomía descriptiva, como harían los tratadistas clásicos disecando el pie del cádaver. El pie del ser humano es un elemento de sostén y traslación y en consecuencia su configuración real es muy diferente a la que tiene en descarga. Del aparato locomotor debe pensarse en términos dinámico ya que nos hayamos en continuo movimiento, incluso en bipedestación estática (balance postural, inclinaciones laterales para descansar una extremidad sobre la otra). No existe el reposo absoluto. Es un complejo 3D que nos recuerda a una bóveda y por lo tanto se habla de “bóveda plantar”. Y consta de varios arcos, tanto en sentido transverso como en sentido anteroposterior. En el ser humano, forma y función, anatomía y fisiología, arquitectura y biomecánica van indisolublemente unidas, una condiciona a la otra y por lo tanto deben estudiarse conjuntamente. Desde el punto de vista biomecánico el pie es: soporte pieza esencial en el mantenimiento de la postura vertical y desarrollo de la marcha. Si bien anatómicamente es considerado el último segmento o segmento terminal del miembro inferior, biomecánicamente debe ser interpretado como el primer eslabón en la cadena cinética. El pie del hombre al contrario que la mano sacrifica todas sus funciones para concentrarse en dos objetivos fundamentales: soportar el peso del cuerpo y caminar.Recordemos que es una estructura tridimensional variable, con el objeto de amortiguar el choque contra el suelo y adaptarse a las irregularidades del terreno y debe considerarse la puerta de entrada de nuestros estímulos gravitatorios y de nuestro sentido del equilibrio.

La marcha es un proceso de locomoción en el que nuestro cuerpo estando de pie, se desplaza de un lugar a otro, siendo su peso soportado de forma alternante por ambos miembros inferiores.

Mientras el cuerpo se desplaza sobre la pierna de soporte, la otra pierna se balancea hacia delante como preparación para el siguiente apoyo. Uno de los pies se encuentra siempre en el suelo y, en el período de transferencia de peso del cuerpo de la pierna retrasada a la adelantada, existe un breve intervalo de tiempo durante el cual ambos pies descansan sobre el suelo.

A continuación vamos a analizar las dos fases de la marcha.

Biomecánica de la fase de apoyo de la marcha

La fase de apoyo comienza cuando el talón contacta con el suelo y termina con el despegue de los dedos. La división en dos fases del contacto del metatarsiano del pie y de la punta de los dedos, constituye un período de doble apoyo que caracteriza la marcha y que no ocurre en la carrera. Esta fase de apoyo influye de la siguiente manera en las distintas partes del cuerpo:

1. Columna vertebral y pelvis: Rotación de la pelvis hacia el mismo lado del apoyo y la columna hacia el lado contrario, Inclinación lateral de la pierna de apoyo.

2. Cadera: Los movimientos que se producen son la reducción de la rotación externa, después de una inclinación interna, impide la aducción del muslo y descenso de la pelvis hacia el lado contrario. Los músculos que actúan durante la primera parte de la fase de apoyo son los tres glúteos que se contraen con intensidad moderada, pero en la parte media disminuyen las contracciones del glúteo mayor y del medio. En la última parte de esta fase se contraen los abductores.

3. Rodilla: Los movimientos que se producen son ligera flexión durante el contacto, que continúa hacia la fase media, seguida por la extensión hasta que el talón despega cuando se flexiona la rodilla para comenzar con el impulso. La flexión baja la trayectoria vertical del centro de gravedad del cuerpo, incrementándose la eficacia de la marcha. La musculatura actuante son los extensores del cuádriceps que se contraen moderadamente en la primera parte de la fase de apoyo, siguiendo una relajación gradual. Cuando la pierna llega a la posición vertical la rodilla aparentemente se cierra y produce una contracción de los extensores. Los isquiotibiales se activan al final de la fase de apoyo.

4. Tobillo y pie: Los movimientos producidos en este fase son la ligera flexión plantar seguida de una ligera flexión dorsal. Por ello los músculos que actúan son el tibial anterior en la primera fase de apoyo, y el extensor largo de los dedos y del dedo gordo que alcanzan su contracción máxima cerca del momento de la transición de la fase de impulso y apoyo. Sin embargo, la fuerza relativa de estos músculos está influenciada por la forma de caminar cada sujeto.

 

Biomecánica de la fase de Oscilación de la Marcha

Esta fase, como ya sabemos, comienza con el despegue de los dedos y termina con el choque del talón. En ella intervienen las siguientes partes del cuerpo:

1. Columna y pelvis: Los movimientos que se producen son la rotación de la pelvis en sentido contrario a la pierna que se apoya y a la columna, con ligera rotación lateral de la pelvis hacia la pierna que no se ha apoyado. La rotación de la pelvis alarga el paso y disminuye la desviación lateral del centro de gravedad del cuerpo. Entre los músculos destacan los semiespinales, oblicuo externo abdominal que se contraen hacia el mismo lado de la rotación de la pelvis. En cambio, los músculos elevador de la columna y oblicuo abdominal interno se contraen hacia el lado contrario. Mientras, el psoas y el cuadrado lumbar ayudan a mantener la pelvis hacia el lado de la extremidad impulsada.

2. Cadera: Los movimientos son de flexión, rotación externa (por la rotación de la pelvis), abducción al comienzo y al final de la fase. Para ello los músculos actuantes son el sartorio, tensor de la fascia lata, pectíneo, psoas ilíaco, recto femoral y la cabeza corta del bíceps femoral, que se contraen precozmente en
la primera fase del impulso, cada uno con su propio patrón. El sartorio y la cabeza corta del bíceps, por ejemplo, cuando los dedos pierden el contacto con la superficie y el tensor, tanto en esta fase como en la parte media del impulso. La contracción de los isquiotibiales con una intensidad moderada durante la extensión de la rodilla, como parte de la oscilación y los glúteos mayor y medio, se contraen ligeramente al final del impulso; a su vez el glúteo mayor sirve como ayuda al equilibrio y como guía de desplazamiento hacia delante de la extremidad.

3. Rodilla: Los movimientos son la flexión en la primera mitad y extensión en la segunda parte. Para ello los músculos que trabajan al igual que en la flexión de la cadera hay una pequeña oscilación debida a los extensores del cuádriceps que se contraen ligeramente al final de esta fase, así como el sartorio y los isquiotibiales que aumentan su actividad en la marcha rápida.

4. Tobillo y pie: Hay dorsiflexión (evita la flexión plantar) y trabajan el tibial anterior, extensor largo de los dedos y del pulgar que se contraen al comienzo de la fase de oscilación y que disminuye durante la parte media de esta fase. Al final de la misma este grupo de músculos se contraen otra vez potentemente como preparación del contacto del talón; los flexores plantares están completamente relajados durante toda la fase.

 

Análisis de la marcha

El análisis de la marcha es básicamente el estudio del movimiento del cuerpo humano. El proceso consiste en detectar y registrar los movimientos humanos para una evaluación posterior de esta información. Una vez que los datos se recogen a continuación, se analiza y, finalmente, en caso de que sea necesario, una planificación de un tratamiento se lleva a cabo.Adquisición de información de la posición de los marcadores en 2D gracias a las cámaras de la izquierda y de la derecha, esta combinación de información da lugar a una imagen en 3D sobre la posición de los marcadores

Un típico laboratorio de análisis de marcha tiene varias cámaras (video y / o infrarrojo) colocadas alrededor de una pasarela o una cinta rodante, que están vinculados a un ordenador. El paciente tiene marcadores situados en varios puntos de referencia del cuerpo (por ejemplo, las espinas ilíacas de la pelvis, el maléolo del tobillo, y los cóndilos de la rodilla), o grupos de marcadores aplicados a la mitad de los segmentos corporales . El paciente camina por la pasarela o la cinta rodante y el ordenador calcula la trayectoria de cada marcador en tres dimensiones. Un modelo se aplica para calcular el movimiento de los huesos subyacentes. Esto le da un desglose completo del movimiento de cada articulación.

Para el cálculo de la cinética de movimiento, la mayoría de los laboratorios tienen montado en el suelo transductores de carga, también conocido como plataformas de fuerza, que miden las fuerzas de reacción del suelo y los momentos, incluyendo la magnitud, la dirección y la ubicación (llamado centro de presión). La distribución espacial de las fuerzas también se puede medir con equipos pedobarographicos. Sumando esto a la dinámica conocida de cada segmento del cuerpo, permite que la solución de ecuaciones basadas en ecuaciones de Newton-Euler de movimiento que permite cálculos de las fuerzas netas y los momentos de la fuerza neta sobre cada conjunto en todas las etapas del ciclo de marcha. El método de cálculo de lo que se conoce como la dinámica inversa.

Este uso de la cinética, sin embargo, no se traduce en información para que los músculos individuales, sino grupos de músculos, como los extensores o flexores de la extremidad. Para detectar la actividad y la contribución de los músculos individuales con el movimiento, es necesario investigar la actividad eléctrica de los músculos. Muchos laboratorios también utilizan electrodos de superficie adherida a la piel para detectar la actividad eléctrica o un electromiograma (EMG) de, por ejemplo, los músculos de la pierna. De esta manera, es posible investigar los tiempos de activación de los músculos y, en cierta medida, la magnitud de su activación, por lo tanto evaluar su contribución a la marcha. Las desviaciones de los patrones normales de cinemática, cinética, o EMG se utilizan para diagnosticar patologías específicas, predecir el resultado de los tratamientos, o para determinar la eficacia de los programas de capacitación.

• Extrínsecos: Hay varios factores extrínsecos, como por ejemplo el terreno, el calzado, la vestimenta, transporte de carga
• Intrínsecos: Los factores intrínsecos son sexo (hombre y mujer), peso, altura, edad,etc
• Físicos: Los factores físicos se trata de por ejemplo del peso, la talla, la constitución física
• Psicológicos: Los factores psicológicos son del tipo la personalidad, las emociones
• Fisiológicos: Cuando se habla de factores fisiológicos se trata de características antropométricas
• Patológicos: Los factores patológicos pueden ser por ejemplo traumatismos, patologías neurológicas, musculo esquelética, trastornos psiquiátricos

Los parámetros que se tiene en cuenta para el análisis de la marcha son:

• Longitud del paso
• Longitud de la zancada
• Cadencia
• Velocidad
• Base dinámica
• Línea de progresión
• Angulo del pie

Temporal / espacial

Consiste en el cálculo de “la velocidad, la longitud de la cadencia, paso, etc. Estas mediciones se llevan a cabo mediante:

• Cronómetro y marcas en el suelo.
• Marcha en una alfombra de presión.

Cinemática

El análisis de la marcha también consiste en la medición del movimiento del cuerpo en el espacio y las fuerzas que intervienen en la producción de estos movimientos. La Cinemática se puede grabar utilizando una variedad de sistemas y metodologías:

• Cronofotografía:  es el método más básico para la grabación de movimiento. Utiliza luces estroboscópicas en una determinada frecuencia. Esta técnica se ha utilizado en el pasado para ayudar en el análisis de la marcha en una sola imagen fotográfica.
• Películas de cine o grabaciones de vídeo: utilizando imágenes de archivo de cámaras individuales o múltiples puede usarse para medir ángulos de las articulaciones y las velocidades. Este método se ha visto favorecido por el desarrollo de software de análisis que simplifica enormemente el proceso de análisis y permite el análisis en tres dimensiones en lugar de sólo dos dimensiones.
• Los sistemas de marcadores pasivos , usando marcadores reflectantes (generalmente bolas reflexivas), permite una medición muy precisa de los movimientos con varias cámaras (típicamente cinco a doce cámaras), simultáneamente. Las cámaras utilizan flash de alta potencia (por lo general de color rojo, cercano a infrarrojo) con filtros combinados para registrar la reflexión de los marcadores colocados en el cuerpo. Los marcadores se encuentran en puntos de referencia anatómicos palpables. Basados en el ángulo y tiempo de retardo entre la señal original y la reflejada, la triangulación de la marca en el espacio es posible. El software se utiliza para crear trayectorias en tres dimensiones a partir de estos marcadores que posteriormente da las [etiquetas]] de identificación. Un modelo de computadora se utiliza para calcular los ángulos de las articulaciones de las posiciones relativas del marcador de la trayectoria marcada.
• Los sistemas de marcadores activos son similares al sistema de marcadores pasivo pero utilizan marcadores activos. Estos marcadores son provocados por la entrada de la señal de infrarrojos y responden enviando una señal correspondiente de su cuenta. Esta señal se utiliza para triangular la ubicación del marcador. La ventaja de este sistema respecto al pasivo es que los marcadores individuales trabajan en frecuencias predefinidas y por lo tanto, tienen su propia “identidad”. Esto significa que no se requiere post-procesamiento de ubicación de marcadores, sin embargo, los sistemas tienden a ser menos tolerantes para los marcadores fuera de la vista de los sistemas pasivos.
• Sistemas inercial (sin cámara) están basados en sensores MEMS inerciales, modelos biomecánicos, y los algoritmos de fusión . Estos sistemas de cuerpo entero o parcial, pueden utilizarse en interiores y al aire libre, independientemente de las condiciones de iluminación. 

Cinética

Consiste en el estudio de las fuerzas que intervienen en la producción de estos movimientos. La base de este estudio es el registro del vector de reacción del piso que se obtiene de las placas de fuerza, este vector está calibrado en un volumen conocido de donde se obtienen los datos cinemáticos, mediante un proceso de dinámica inversa se calculan los momentos articulares y los poderes generados.

La electromiografía dinámica

Consiste en el estudio de los patrones de actividad muscular durante la marcha. Existen diferentes métodos para hacer este registro, el más utilizado es la electromiografía de superficie, tiene la ventaja de ser un método no invasivo (a diferencia de la electromiografía con aguja). Estos sensores obtienen un registro de actividad muscular que se llevan a una gráfica y se integran a las fases de la marcha para así identificar el momento de activación en relación con los ciclos de la marcha. Es muy útil para identificar problemas de coespasticidad.

El análisis de la marcha sirve para analizar la capacidad de caminar de las personas, así pues esta tecnología se puede utilizar para las siguientes aplicaciones:

Diagnóstico médico

En este caso el análisis de la marcha es útil para evaluar, planificar y tratar a personas con condiciones que afectan su capacidad para caminar. La marcha patológica puede reflejar las compensaciones por patologías de base, o ser responsable de la causa de los síntomas en sí mismo. Parálisis cerebral y pacientes con ictus son los pacientes más frecuentes en los laboratorios de la marcha. El estudio de la marcha permite diagnósticar y plantear estrategias de intervención a realizar, para permitir futuros desarrollos en ingeniería de rehabilitación.

Aparte de las aplicaciones clínicas, es también de uso general en la biomecánica deportiva para ayudar a atletas optimizar y mejorar el rendimiento atlético y para identificar la postura relacionada o problemas relacionados con el movimiento en personas con lesiones.

La identificación biométrica y ciencia forense

Puede utilizarse como un identificador biométrico para identificar a las personas individuales. Los parámetros se agrupan en espacio-temporal (longitud del paso, ancho de paso, la velocidad al caminar, el tiempo de ciclo) y cinemáticos (articulación de rotación de la cadera, la rodilla y el tobillo, la media de ángulos de las articulaciones de la cadera / rodilla / tobillo y muslo / tronco / ángulos de pie). Existe una alta correlación entre la longitud del paso y la altura de una persona.

También puede utilizarse como la autenticación de dispositivos electrónicos portátiles.  Y también, para las investigaciones de resbalones y caídas, superficie de resistencia al deslizamiento se puede medir. La superficie puede ser analizada para determinar si se encuentra por encima o por debajo de los niveles aceptados del umbral de deslizamiento. El medidor de Inglés XL deslizamiento, también conocido como VIT (Tribómetro incidencia variable) es un portátil de vanguardia “slip tester”, que está diseñado para evaluar el coeficiente de fricción o “índice de deslizamiento” en diferentes superficies para caminar, el nivel o pendiente (incluso pasos), en seco y en humedad (o no contaminados) mediante la imitación de ciertos parámetros biomecánicos de peatones. Las medidas objetivas que pueden ser analizados y comparados con las fuerzas de “normal” para caminar y estándares de la industria respecto a la resistencia suelo antideslizante.

 

Creo que se ha presentado las ideas principales de que es la biomecánica y de como se analiza. Espero que os haya gustado.

Gracias.