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

2019

UNIDAD 2: BIOMECÁNICA POSTURAL

• Análisis de la postura corporal desde el punto de vista geométrico y

cinético. Conceptos de estabilidad, balance y equilibrio corporal.

Aplicación a la Biomecánica de las posturas de bipedestación y

sedestación y a la Ergonomía.

Al analizar la postura y el movimiento del cuerpo humano, se definen:

• Equilibrio estático: indica un estado de aceleración nula del cuerpo humano

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.

Conceptos de estabilidad, balance y equilibrio corporal

Dado que cada cambio postural o movimiento del cuerpo humano 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 hasta el suelo) 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 del hombre 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.

Vista sagital de la espina del ser humano, que exhibe una lordosis cervical, cifosis toráxica y

lordosis lumbar.

Cifosis

Lordosis

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

adultez se observan las 3 curvas

típicas. cifosis lordosis cervical y lumbar

cifosis

toráxica

Desde el punto de vista

geométrico, la postura de

bipedestación se describe a

partir de la alineación de los

segmentos corporales según el

eje longitudinal del cuerpo

humano, es decir, la

orientación relativa entre los

segmentos óseos contiguos

(salvo el pie) es nula.

PLANO TRANVERSAL (ROTACIÓN INTERNA - EXTERNA)

PLANO SAGITAL (FLEXIÓN - EXTENSIÓN)

EJE LONGITUDINAL

PLANO FRONTAL (ABDUCCIÓN - ADUCCIÓN)

EJE

ANTEROPOSTERIOR

EJE MEDIOLATERAL

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 humano 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 centro de gravedad

(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.

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, coincidente con el punto en el cual se proyecta la

línea de gravedad).

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.

Respecto de los mecanismos a los que recurre el cuerpo humano para

mantener el equilibrio durante la postura de bipedestación (o el

movimiento o actividad corporal), tal equilibrio se logra mediante el

control que ejerce el Sistema Nervioso Central (SNC) para generar un

tono muscular adecuado para mantener esta postura (o el movimiento) 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 (provenientes de distorsiones visuales, movimientos del

suelo, etc), que tienden a hacerle perder el equilibrio.

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.

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.

El equilibrio, tanto durante la postura como durante el movimiento 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 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.

¿Cómo se logra el equilibrio corporal?

El sistema vestibular desempeña un papel clave para el mantenimiento del equilibrio

en posición de bipedestación y durante la actividad, sensando la orientación de la

cabeza respecto de la gravedad, lo cual representa un desafío aún más importante

cuando está en movimiento.

Dispone de unos sensores de movimiento que generan los reflejos vestíbulo-ocular

(RVO) y reflejos vestíbulo-espinal (RVE) y envían esta información al SNC.

Las aferencias vestibulares se distribuyen hacia los núcleos vestibulares del

tronco del encéfalo y el cerebelo donde convergen con información visual. Los

núcleos vestibulares dan lugar en la rotación de la cabeza a los reflejos

vestibulooculares (encargados de estabilizar el entorno visual con movimientos

de los ojos iguales y opuestos a los de la cabeza) durante el desplazamiento

lineal a los reflejos vestibulocervicales que regulan el tono muscular y los

movimientos de la cabeza y de las extremidades en el desequilibrio (Vitte

1993).

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

antigravitatorios para mantener o

corregir la postura corporal.

W

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.

x

Pie izq. Pie der.

x: proyección vertical del CDG

dirección de

avance

x Bipedestación Marcha

Estrategias del SNC para mantener el equilibrio corporal

Tobillo Cadera Paso al frente

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.

Técnicas de Valoración de la Postura de Bipedestación

Examina las interferencias provenientes de los receptores sensoriales específicos

de la postura (visual, vestibular y somatosensorial), que proporcionan

información de entrada al SNC y que condicionan el tono muscular de salida de

los músculos antigravitatorios.

Valoración Funcional de la Postura

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 con los sistemas

vestibular visual y somatosensorial.

Resulta dificultoso aislar la contribución al equilibrio del sistema vestibular de la

correspondiente a los sistemas visual y somatosensorial y por lo 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. Valora la

contribución del sistema visual al equilibrio postural.

- 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.

- 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.

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. Valora la contribución del sistema

somatosensorial al equilibrio postural.

Como se mencionó, estos tests también se utilizan en combinación con las

técnicas cuantitativas de valoración funcional, que registran las oscilaciones

posturales durante la bipedestación 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.

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.

Oscilaciones Posturales a nivel de la Cabeza

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.

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). Se registran las oscilaciones posturales de

la cabeza en dirección antero-posterior (AP) y en dirección medio-lateral (ML) del

sujeto y luego se construye un estabilograma representando las coordenadas AP y

ML en función del tiempo o bien, entre sí mediante un diagrama polar.

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 derecha-

izquierda (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 somatosensorial, 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 somatosensorial.

Mediante las oscilaciones posturales a nivel de la cabeza (combinada con los 2 tests de

Romberg y Unterberger-Fukuda) se valora entonces:

• El desplazamiento lateral (oscilación ML), que es el rango de la oscilación de la cabeza

en esa dirección.

• El desplazamiento longitudinal (oscilación AP), que es 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.

Esta técnica de valoración cuantitativa se basa en el empleo de plataformas

dinamométricas o de fuerza, que registran los movimientos del centro de presiones

sobre la planta del pie (CDP, correspondiente al punto de aplicación de la fuerza

de reacción del suelo, FRS), valorando así la integridad de la información

sensorial y motora que permite mantener el equilibrio corporal en bipedestación.

Oscilaciones Posturales a nivel de los Pies

Se mencionó anteriormente que la fuerza de reacción del suelo (FRS) 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 antero-

posterior (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: F00, FX0, F0Z y FXZ.

Z

X

Y

Luego, la fuerza vertical total es: FY = F00 + FX0 + F0Z + FXZ.

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:

Z

X

Y

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:

My = Fz COPx COPx = My

/Fz

Mx = Fz COPy COPy = Mx /Fz

La posición del CDP registrado en una plataforma de fuerza se relaciona con el

control postural que ejerce el SNC para neutralizar las fuerzas y momentos

desestabilizantes. Es decir, el movimiento del CDP es la respuesta

neuromuscular del cuerpo humano al cambio de posición de su CDG.

Con el fin de preservar el equilibrio en bipedestación, cada cambio postural produce

un cambio de posición del CDG corporal respecto de la base de sustentación.

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.

- Qué tipo de equilibrio se establece aquí?

- Qué ecuación caracteriza este equilibrio?

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 durante la

bipedestación.

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. Surgen 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.

La escoliosis, o curvatura anormal de la columna vertebral, afecta aproximadamente al

3% de la población. Los casos leves pueden no interferir con la vida diaria, pero los casos

graves pueden ser dolorosos y limitar la actividad normal.

Análisis de oscilaciones posturales en la escoliosis

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,

mientras que 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

• Caja torácica a distintas alturas a izquierda y derecha

• 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 inclina hacia abajo

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.

PG1: Valoración de oscilaciones posturales mediante plataforma de fuerza

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

COP, etc.