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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.
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.
Conceptos de estabilidad, balance y equilibrio corporal
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.
Vista sagital de la espina del ser humano, que exhibe una lordosis lumbar, cifosis toráxica y
lordosis cervical.
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
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.
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 (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.
¿Cómo se logra el equilibrio corporal?
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
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 propioceptiva), 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 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.
- 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.
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.
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.
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. 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 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 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.
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.
Oscilaciones Posturales a nivel de los Pies
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 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 COPyCOPy = Mx /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.
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.
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.
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.
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. 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
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.