Biomecanica de columna

DR. ALBERTO CHACON FLORESRESIDENTE DEL 3ER AÑO TRAUMATOLOGIA Y ORTOPEDIA HOSPITAL GENERAL XOCO ABRIL 2006

BIOMECANICA

Es la rama de la ciencia que estudia los efectos de la energía y las fuerzas sobre los sistemas biológicos.

Aplica las leyes físicas y mecánicas a los sujetos vivos bajo condiciones normales y anormales

BIOMECANICA

Aplica las leyes físicas Newtonianas sobre modelos biológicos para describir su comportamientos y funciones.

Primera ley o ley de inerciaTodo cuerpo permanece en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que otros cuerpos actúen sobre él.

Segunda ley o Principio Fundamental de la DinámicaLa fuerza que actúa sobre un cuerpo es directamente proporcional a su aceleración.

Tercera ley o Principio de acción-reacciónCuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, éste ejerce sobre el primero una fuerza igual y de sentido opuesto.

http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd98/Fisica/02/





BIOMECANICA

La ortopedia se enfoca en los efectos de las fuerzas aplicadas (Movimientos y deformaciones) y momentos que actuan sobre los tejidos músculo-esqueléticos.

Cinemática y Fricción.

FUERZAS ESQUELETICAS

ESTATICA.-– ES EL ESTUDIO DE LOS CUERPOS QUE PERMANECEN EN

REPOSO O EN EQUILIBRIO. Equilibrio Estable Equilibrio Inestable Equilibrio Indiferente


DINAMICA.- Estudia las fuerzas que producen el movimiento, dividiéndose

en CINEMATICA Y CINETICA. – CINETICA.- Estudia el movimiento de los cuerpos y las fuerzas

que actúan para producirlos.– CINEMATICA.- Es la ciencia del movimiento que estudia las

relaciones que existen entre el desplazamiento, velocidades, y aceleraciones en el movimiento.


– MOVIMIENTO.- Estado de un cuerpo que cambia de situación por efecto de una fuerza intrínseca o extrínseca

– Cambio de posición de un objeto con respecto a otros que se suponen fijos.

– CLASES DE MOVIMIENTO: RECTILINEO, ELIPTICO, CIRCULAR.

– VELOCIDAD.- Tiempo en el que se realiza un fenómeno.– ACELERACION.- Es la variación que experimenta la velocidad en

cada unidad de tiempo. M/seg x seg


Existen 2 tipos de movimiento: – El TRANSLACIONAL (cada punto del cuerpo se desplaza en

líneas paralelas) – EL ROTACIONAL (cuando los puntos del cuerpo describen

círculos concéntricos alrededor de un eje). – La cinemática define al movimiento como el cambio continuo de

posición.

CONCEPTOS BASICOS DE BIOMECANICA

FUERZA.- Un impulso o una tracción. – Acción que cambia el estado de reposo al movimiento – Newton.- Fuerza necesaria para acelerar una masa de 1 kg 1m/s2

– Existen 2 tipos:– EXTERNAS (ajenas a la estructura, también llamadas de CARGA.– INTERNAS (reaccionan a las cargas de las fuerzas externas,

llamadas también TENSIONES).


TRABAJO.- – Es la fuerza necesaria para levantar un objeto en contra de la gravedad y se presenta el movimiento. JOULE.

– Producto de la fuerza aplicada por la distancia recorrida en la misma dirección de la fuerza. (N/m)


ENERGIA.- – Es la capacidad de realizar un trabajo. – Newton/metro (N/m)– QUIMICA, MECANICA, TERMICA, ELECTRICA, ATOMICA,

NUCLEAR. Energía potencial. Energía cinética. Poseída por un cuerpo. Energía del movimiento,


POTENCIA.-– Es la rapidez con la que se realiza un trabajo. WATT = TRABAJO

DE 1 JOULE/seg.


PALANCAS.- – Es una máquina simple constituída por una barra que apoyada en

un punto llamado FULCRO vence una resistencia.– Consiste en 2 fuerzas: POTENCIA y RESISTENCIA, que actúan

alrededor de punto de apoyo llamado FULCRO. – BRAZO DE POTENCIA: La distancia de la potencia al fulcro. – BRAZO DE RESISTENCIA: La distancia de la resistencia al fulcro.


Las palancas son de 3 tipos.- según la localización de la potencia y la resistencia en relación con el fulcro:

– 1) PALANCA DE PRIMER GRADO (INTERMOVIL).- Punto de apoyo entre la potencia y la resistencia. Requiere un esfuerzo pequeño para levantar una gran resistencia. Ej. un sube y baja, las tijeras, el tríceps sobre el cúbito.


– 2) PALANCAS DE 2o. GRADO (INTERRESISTENTE).- Tiene la resistencia entre la potencia y el punto de apoyo. Como el brazo de resistencia es menor que el brazo de potencia, la potencia será mayor que la resistencia. Ej. una carretilla, un cascanueces, pararse de puntas


– 3) PALANCA DE 3er. GRADO (INTERPOTENTE).- Es la potencia localizada entre el punto de apoyo y la resistencia. Para sostener la resistencia la potencia debe ser de mucho mayor magnitud que la resistencia, pero el desplazamiento de la potencia es mucho menor que el de la resistencia. Ej. las pinzas, cañas de pescar, la acción del bíceps sobre el antebrazo.


ESFUERZOS.- Combinación de fuerzas aplicadas a unidad de área, capaces de producir una deformación.

COMPRESION.- Se aplican cargas iguales y opuestas en los lados opuestos de un cuerpo.

TENSION.-Dos fuerzas actúan en sentido opuesto y se alejan entre si; ésta fuerza se aplica en TENSION. El esfuerzo de tensión se obtiene dividiendo la CARGA ENTRE EL AREA DE SECCION TRANSVERSAL.

CIZALLANTE O CORTANTE.- Aplicación de una o mas fuerzas en sentido tangencial al eje de carga (paralelo a su superficie) y provocan deslizamiento paralelo en sentido contrario entre los planos de un cuerpo.

SOLICITACIONES

FLEXION.- Es la inducción de una curvatura a lo largo del eje mayor de un objeto, por la aplicación de una fuerza excéntrica o movimiento de flexión.

SOLICITACIONES

COMPRESION.- Aplicación de una fuerza que tiende apretar o aplastar un objeto.

SOLICITACIONES

TORSION.- Fuerzas aplicadas que tienden a girar un objeto alrededor de su eje (torcerlo).

SOLICITACIONES

TENSION.- Aplicación de una fuerza que tiende a alargar un objeto (tirar de él), TERCER LEY DE NEWTON.

SOLICITACIONES

CORTANTE.- Fuerza aplicada paralelamente a la superficie de un objeto (p.ej. la fuerza de rozamiento). Las fuerzas cortantes pueden existir también profundamente en el interior del material.

SOLICITACIONES

Todas las fuerzas o solicitaciones aplicadas deforman un cuerpo.

– Aumenta longitud en tensión– Aumenta grosor en compresión– Angula en cizallamiento

Tasa de Poisson:– Es la relación entre la deformidad axial y la transversal de un

cuerpo. (liga o pelota de tenis)

FUERZAS ESQUELETICASVECTORES Y FUERZAS

Cuerpos Libres: (Cuerpo de Newton) Para calcular las fuerzas que actúan sobre una parte del cuerpo, esta se debe considerar por si sola, como un cuerpo libre. & fuerzas y momentos en equilibrio. Verticales, anteroposteriores y laterales.

FUERZAS ESQUELETICASVECTORES Y FUERZAS

Los músculos solo ejercen fuerzas tensionales sobre los huesos.

Ejercen fuerzas compresivas sobre las articulaciones.

SOLICITACIONES

Carga crítica de Euler (columnas)

BIOMECANICA DE LA COLUMNA


La columna protege la médula espinal.

Se articula de manera controlada a través de un complejo de palancas (vértebras), pivotes (articulaciones y discos), límites pasivos (ligamentos) y activos (Músculos)

Reforzada por la parrilla costal

Estabilidad mecánica dada por un sistema dinámico neuromuscular


Funciones biomecánicas– Transfiere las cargas de la cabeza el tronco y

cualquier peso agregado a la pelvis– Permite movimientos fisiológicos suficientes

entre los 3– Protege la médula espinal de las fuerzas y

movimientos fisiológicos y traumáticos

ANATOMIA

7 vértebras cervicales 12 torácicas 5 lumbares 5 sacras fusionadas 3-4 coccígeas fusionadas

ANATOMIA

Plano sagital – 4 curvas normales

Convexidad anterior cervical y lumbar (lordosis) Concavidad anterior dorsal y sacrococcígea (cifosis)

– Aumentan la flexibilidad – Absorben mejor la compresión– Mantienen la firmeza y estabilidad articular

ANATOMIA

Curva torácica estructural

– Menor altura anterior del cuerpo anterior

Curva cervical y lumbar por disco en cuña

DISCO INTERVERTEBRAL

ANATOMIA– 20-33% de la altura de la

columna– Núcleo pulposo– Anillo fibroso– Placas marginales

cartilaginosas


Sujeto a varias fuerzas y momentos Soporta las cargas compresivas del

tronco– 3-7 veces el peso del cuerpo

Fuerzas tensionales Cargas torsionales Fuerzas de cizallamiento Combinaciones


PROPIEDADES DEPENDIENTES DE TIEMPO

– Viscoelasticidad– Histéresis.- Pérdida de energía tras ciclos

de carga y descarga repetitivos (brincar)– Deformidad (Creep).-carga súbita y

mantenida– Relajación


PROPIEDADES DEPENDIENTES DE TIEMPO

– Fuerzas de alta amplitud y corta duración Daño estructural irreparable

– Fuerzas de baja magnitud y larga duración Falla por fatiga, desgarre.

Dependientes de la edad


NUCLEO PULPOSO– Fibras delgadas en un gel de mucoproteínas y

mucopolisacáridos. – 40% área total del disco. Mayor en cervicales y

lumbares– Contiene de 70-90% agua (disminuye con la

edad)– Mas posterior en lumbares


ANILLO FIBROSO– Tej. fibroso en bandas laminadas concéntricas en

arreglo helicoidal– Se unen a placas cartilaginosas en la zona

central y al cuerpo vertebral en la periferia (Sharpey). Aumentan estabilidad.


PLACAS CARTILAGINOSAS MARGINALES– Cartílago hialino– Separa al núcleo de el cuerpo vertebral– Desaparece con la edad


PROPIEDADES FISICAS– ELASTICIDAD:– VISCOELASTICIDAD– FATIGA– COMPRESION

Flexibilidad a cargas bajas Estabilidad a cargas altas Deformidad permanente sin herniación del núcleo


PROPIEDADES FISICAS– COMPRESION

Unidad vertebral funcional

– Falla vertebral– Fx de placas terminales– Sin daño al disco


PROPIEDADES FISICAS– TENSION en el anillo fibroso a la flexo-

extensión y lateralización y en rotación axial a 45º

– Zonas anteroposteriores mas resistentes a la tensión

– Estructura anisótropica (propiedades mecánicas varían con las distintas orientaciones espaciales)


PROPIEDADES FISICAS– FLEXION

El anillo fibroso se abulta hacia la concavidad, sin movimiento del núcleo

– TORSION Falla a 20º dañándose sobre todo el anillo

fibroso

– CIZALLAMIENTO Se da en la torsión, fuerzas sin distribución

uniforme hasta 260N/mm (alta)


PRESION INTRADISCAL

LIGAMENTOS ESPINALES

Estructuras uniaxiales Resisten cargas según orientación de sus

fibras. Resisten fuerzas de tensión pero se vencen

a la compresión Actuán de manera individual en repuesta a

las fuerzas aplicadas a la columna

LIGAMENTOS ESPINALES

Permiten movimientos fisiológicos adecuados y mantener posturas fijas

Disminuir el gasto energético muscular Restringir movimientos a límites definidos

para proteger la médula espinal. Absorción de energía

BIOMECANICA DE LOS LIGAMENTOS ESPINALES

7 ligamentos espinales– Lig ant longitudinal– Lig post longitudinal– Lig intertransversos– Lig capsulares– Lig amarillo– Lig interespinosos– Lig supraespinosos


Lig ant longitudinal– Estructura fibrosa– Aspecto anterior basioccipital– Se une al atlas y a la cara anterior

de todos los cuerpos vertebrales hasta el sacro

– Se une firmemente a los cuerpos vertebrales pero no a los discos intervertebrales.


Lig post longitudinal– Estructura fibrosa– Aspecto posterior basioccipital– Cubre a los lig denso y transversos

(membrana tectoria)– Cubre las superficies posteriores de

todos los cuerpos vertebrales hasta el coccyx.

– Se une firmemente al disco intervertebral y no al cuerpo vertebral


Lig intertransversos– Van entre las apófisis transversas– Intimamente unidos a la masa

común

Lig capsulares– Se insertan a los márgenes de los

proceso articulares adyacentes– Fibras perpendiculares al plano de

las facetas


Lig amarillo– Se extiende del borde anteroinferior

de la lámina superior, al borde posterosuperior de la lámina inferior, de la 2ª cervical a la 1ª sacra

– Rico en fibras elásticas

Lig interespinoso– Unen las apófisis espinosas

adyacentes, desde su raíz hasta su vértice

– Rudimentarios en las cervicales


Lig supraespinosos– Inician en la nuca y bajan por la

punta de las apófisis espinosas hasta el sacro


CARACTERISTICAS FISICAS DE LOS LIGAMENTOS– Curva deformidad-carga

Zona neutral (NZ) mov fisiol Zona elástica (EZ) límite fisiol Zona plástica (PZ) ruptura

Grieta crítica de Griffith (vibración)

ESTRUCTURAS OSEAS

VERTEBRAS– Cuerpo vertebral

Hueso esponjoso rodeado de delgada cortical Placas terminales

– Arco posterior (neural) 2 pedículos 2 láminas

– Apófisis espinosas y transversas– Diferentes formas en segmentos son

adaptaciones fisiológicas

BIMECANICA VERTEBRAL

CUERPO VERTEBRAL Resiste la compresión y es mayor

según su masa


CUERPO VERTEBRAL Trasmite las fuerzas de compresión a

través de las corticales(10-40%) o de la esponjosa (60-90%).


CUERPO VERTEBRAL Placas marginales

– Soportan 8000N (55-45%)– Fx centrales (discos sanos)– Periféricas (Discos degenerados)– Completas (alta energía)– Ley de Pascal

BIOMECANICAQ VERTEBRAL

LEY DE PASCAL: "La presión existente en un líquido confinado actúa igualmente en todas direcciones, y lo hace formando ángulos rectos con la superficie del recipiente".


FACETAS ARTICULARES

– Estructuras estabilizadoras

– Soportan 18-33% de fuerzas de compresión

– 45% de torsional

MUSCULATURA ESPINAL

Provee estabilidad al tronco en cualquier postura

Producen los movimientos de la actividad fisiológica

Generan fuerzas isométricas Cambian de longitud (isotónicas) Aumentan la rigidez de la columna y su

estabilidad

MUSCULATURA ESPINAL

MUSCULATURA BASICA

– Postvertebrales Profundos Intermedios Superficiales

– Prevertebrales Abdominales

MUSCULATURA ESPINAL

POSTVERTEBRALES– Profundos

Interespinales Intertransversales Rotadores Elevadores costales

MUSCULATURA ESPINAL

POSTVERTEBRALES– Intermedios

Lumbosacros Semiespinales torácicos Semiespinales cervicales Semiespinales capitales

MUSCULATURA ESPINAL

POSTVERTEBRALES– Superficiales

Masa común: – Iliocostal– Largo– Espinal

MUSCULATURA ESPINAL

Prevertebrales– Músculos abdominales

Oblicuos externos Oblicuos internos Transverso abdominal Recto abdominal

ESTABILIDAD COLUMNAR

La parrilla costal y la musculatura dorsal mantienen la posición longitudinal de la columna como al mástil de un barco.

– Dorsal ancho– Trapecio– Serrato posterior sup e

inf

ESTABILIDAD COLUMNAR

BIOMECANICA MUSCULATURA VERTEBRAL

60º por flexion de la columna lumbar con la pelvis fija

Flexión de la cadera añade 25º mas

BIOMECANICA MUSCULATURA VERTEBRAL

Flexión Extensión Flexión lateral Rotación axial

UNIDAD FUNCIONAL ESPINAL

Segmento de movimiento Comportamiento similar al

de la columna completa– Curva deformidad-carga

Zona neutral (NZ) mov fisiológico

Zona elástica (EZ) límite fisiológico

Coeficiente de flexibilidad (EZ/CFM)

UNIDAD FUNCIONAL ESPINAL

GRACIAS

ADIOS

FELICES PASCUAS

Biomecanica de columna

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