EVALUACIÓN CUANTITATIVA EN PRÓTESIS DE MIEMBRO …

EVALUACIÓN CUANTITATIVA EN PRÓTESIS DE MIEMBRO INFERIOR UNILATERAL

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA MECÁNICA

Bogotá D. C.

2004

EVALUACIÓN CUANTITATIVA EN PRÓTESIS DE MIEMBRO INFERIOR UNILATERAL

YOLANDA TORRES PÉREZ

Proyecto de grado presentado como requisito para optar al título de Magíster en Ingeniería Mecánica

Asesor

CARLOS FRANCISCO RODRÍGUEZ H., I.M., Ph.D.


FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA MECÁNICA

Bogotá D. C.

2004

Bogotá D. C., 28 de Enero de 2004.

Doctor:

ALVARO E. PINILLA

Director Del Departamento de Ing. Mecánica.


Ciudad

Respetado Doctor:

Por medio de la presente someto a su consideración el proyecto titulado: “Evaluación

Cuantitativa En Prótesis De Miembro Inferior Unilateral”, el cual, como asesor

certifico que cumple con los objetivos propuestos y que por lo tanto califica como requisito

para optar al titulo de Magíster en Ingeniería Mecánica.

Cordialmente,

_______________________________________

CARLOS F. RODRÍGUEZ H., I. M., Ph. D.

Asesor del Proyecto.

Bogotá D. C., 28 de Enero de 2004.

Doctor:

ALVARO E. PINILLA

Director Del Departamento de Ing. Mecánica


Ciudad

Respetado Doctor:

Por medio de la presente someto a su consideración el proyecto titulado: “Evaluación

Cuantitativa En Prótesis De Miembro Inferior Unilateral”, con el propósito de cumplir

con los requisitos para optar al título de Magíster en Ingeniería Mecánica.

Cordialmente,

________________________________________

YOLANDA TORRES PÉREZ

Este proyecto va dedicado a DIOS, mis

padres como una muestra de

agradecimiento por tantos sacrificios y

por todo el amor que me han brindado, a

mis hermanos en quienes siempre he

encontrado un amigo incondicional, a mi

novio a quien amo infinitamente, a mis

amigos y a todos mis seres queridos.

“Lo que hoy se hace aquí en la tierra,

mañana hará eco en la eternidad”

Y.T.P.

AGRADECIMIENTOS

El autor expresa sus agradecimientos a las siguientes personas por su valiosa colaboración

en la realización de éste proyecto:

Director y Asesor Del Proyecto

Dr. CARLOS FRANCISCO RODRÍGUEZ H.

Conocimientos Médicos

Dr. CAMILO A. TURRIAGO

(Instituto de Ortopedia Infantil Roosevelt)

Dr. FERNANDO SERRANO

(Hospital Militar)

Dr. JUAN PABLO BORRERO

(Hospital Militar)

Conocimientos Técnicos

Ing. LUIS A. MORALES Q.

Ing. ELSY RODRÍGUEZ

Ing. HUGO QUINTERO

TABLA DE CONTENIDO

Pág.

1. INTRODUCCIÓN 1

1.1. ESTADO DEL ARTE 2

1.2. OBJETIVOS 4

1.3. ORGANIZACIÓN DEL DOCUMENTO 5

2. ANALISIS DE LA MARCHA HUMANA NORMAL 7

2.1. LA MARCHA HUMANA 7

2.2. MOVIMIENTOS DE LAS EXTREMIDADES INFERIORES 9

2.2.1. Principales Movimientos De La Cadera 10

2.2.2. Principales Movimientos De La Rodilla 11

2.2.3. PRINCIPALES MOVIMIENTOS DEL PIE 12

2.3. BIOMECÁNICA DE LA EXTREMIDAD INFERIOR 13

2.3.1. Articulación Del Tobillo. 13

2.3.2. Articulación De La Rodilla. 14

2.3.3. Articulación De Tobillo. 16

2.4. TÉCNICAS DE ANÁLISIS DE LA MARCHA HUMANA 17

2.5. NORMALIDAD DE LA MARCHA HUMANA 18

3. ANALISIS DE LA MARCHA HUMANA PROTÉSICA 20

3.1. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA MARCHA DEL AMPUTADO 20

3.2. BASE DE DATOS DE ALTERACIONES DE LA MARCHA HUMANA 23

3.2.1. Alteraciones De La Marcha Protésica En La Amputación De SYME 25

3.2.2. Alteraciones De La Marcha Protésica En La Amputación Tibial 25

3.2.3. Alteraciones De La Marcha Protésica En Las Prótesis Femorales

Y Para Desarticulación De Rodilla. 28

4. HERRAMIENTA DE SOFTWARE 38

5. PRUEBAS PRELIMINARES DE MARCHA PROTÉSICA 44

5.1. EJEMPLO DE VALIDACIÓN 48

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 57

BIBLIOGRAFÍA 59

ANEXOS

ANEXO 1 Set de Marcadores

ANEXO 2 Interpretación Médica de Pacientes

ANEXO 3 Árbol Metodológico del Programa

ANEXO 4 Manual Del Usuario

INDICE DE FIGURAS

Pág.

Fig. 1. Fase de apoyo y oscilación de la marcha humana 8

Fig. 2. Ciclo de marcha normal. 8

Fig. 3. Planos anatómicos del cuerpo humano. 10

Fig. 4. A. Flexión-Extensión, B. Abducción-Aducción y C. Rotación Interna-Rotación

externa. 11

Fig. 5. Grados de libertad de la articulación de la rodilla. 12

Fig. 6. Movimientos del pie. 13

Fig. 7. Cinemática del tobillo (plano sagital) a cadencia libre. 13

Fig. 8. Fuerzas de reacción en el pie durante el apoyo. 14

Fig. 9. Cinemática de la rodilla (Plano sagital). 15

Fig. 10. Dirección estimada de las fuerzas de reacción con respecto a la rodilla. 16

Fig. 11. Cinemática de la cadera. 16

Fig. 12. Gráficas cinemáticas de normalidad. 19

Fig. 13. Golpe de la planta del pie en el suelo. 29

Fig. 14. Impacto al final de la oscilación. 30

Fig. 15. Lordosis lumbar. 31

Fig. 16. Elevación desigual del talón hacia atrás. 32

Fig. 17. Inclinación lateral del tronco. 33

Fig. 18. Circunducción. 34

Fig. 19. Rotación del pie en el momento de contacto de talón. 35

Fig. 20. Registro de normalidad, alteraciones y causas. 37

Fig. 21. Página de inicio del programa. 38

Fig. 22. Sistema espacial de referencia. 40

Fig. 23. Pacientes estudiados. 44

Fig. 24. Marcadores colocados en el paciente. 45

Fig. 25. Posición de cámaras y plataformas en el laboratorio. 46

Fig. 26. Marcación de eventos y reproducción en 3D de la marcha. 46

Fig. 27. Formato de resultados cinemáticos. 47

Fig. 28. Formato minimizado de resultados gráficos del análisis de marcadores. 49

Fig. 29. Formato minimizado de resultados de la evaluación numérica del análisis de

marcadores. 50

Fig. 30. Graficas minimizadas de los resultados de fuerzas en el tobillo. 51

Fig. 31. Tablas minimizadas de la evaluación de fuerzas en el tobillo. 51

Fig. 32. Momento de fuerza del tobillo derecho. 52

Fig. 33. Formato gráfico de la cinemática de la cadera. 53

Fig. 34. Formato de la evaluación de normalidad cinemática de la cadera. 53

Fig. 35. Movimiento exagerado de la rodilla izquierda. 54

Fig. 36. Segmento del reporte de posibles rediseños en las prótesis. 55

INDICE DE TABLAS

Pág.

TABLA 1. Subdivisiones del Ciclo de Marcha. 9

TABLA 2. Eventos y porcentajes críticos del Ciclo de Marcha (C. M.) 24

TABLA 3. Ejemplo resumido de la estructuración básica de la base de datos. 36

1. INTRODUCCIÓN

En el país, actualmente existe gran cantidad de personas con diferentes niveles de

amputación en sus extremidades inferiores, algunas causas de amputación son:

enfermedades congénitas, problemas de irrigación sanguínea, diabetes, accidentes de tráfico

e industriales, la siembra de minas antipersonales en el territorio nacional por parte de los

grupos armados al margen de la ley, etc. [9]

Uno de los grandes problemas que se presentan en el campo del diseño, fabricación e

implementación de prótesis en hospitales, clínicas y centros de rehabilitación es que no

existe un completo estudio biomecánico de estos dispositivos para hacerlos más

funcionales. La construcción y puesta a punto de las prótesis generalmente se hace

utilizando la técnica de ensayo y error, lo cual es muy dispendioso y tarda mucho tiempo.

El creciente número de personas lisiadas en sus extremidades inferiores, el alto costo de

prótesis importadas, la baja calidad de prótesis nacionales implementadas en pacientes, la

carencia de conocimientos biomecánicos de la marcha humana (normal y protésica) en el

medio y teniendo en cuenta que el amputado siempre busca una prótesis que reemplace al

miembro perdido en aspecto, sentido y movimiento, se ha motivado la realización de

estudios sobre la biomecánica de la marcha protésica.

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1.1. ESTADO DEL ARTE

Algunos de estos estudios se pueden clasificar según su contexto en:

Diseño de prótesis de miembro inferior, donde se diseñan diferentes partes de la prótesis

(socket, encaje, sistema de alineación, eje, articulación artificial, pie protésico, etc.),

utilizando diferentes herramientas. Estos diseños se realizan considerando la individualidad

de los pacientes y la particularidad de los requerimientos biomecánicos. (Ej.: “Investigación

de Prótesis y Ortésis”, realizado por Msc. Sarah J. Mattes en 1998. “Análisis de la

Cinemática de un Pie Multi-segmento Para la Investigación y las Aplicaciones Clínicas”,

realizado por Dr. M C. Carson en el 2001. “Metodología Para Estudiar Los Efectos de

Varios Tipos de Pies Protésicos en la Biomecánica de la Marcha Del Amputado Trans-

femoral”, realizado por M. L. Van Der Linden en 1999, etc.)[30]

Creación de protocolos experimentales para el análisis de patrones de marcha, como son

el protocolo ELICLINIC, el protocolo de APAS GAIT, [35] etc. Según los autores del

protocolo, se presentan unos requerimientos y una metodología diferente para la realización

de análisis clínicos de la marcha. El desarrollo y estandarización de pruebas de marcha,

contribuyen al diseño, prescripción y adaptación de prótesis en pacientes, que en su origen

carecen de criterios objetivos y cuantitativos. (Ej.: “Análisis de la Marcha Mediante el

Protocolo ELICLINIC”, realizado por Ana Germán y Fernando Rey en 1999. “Técnicas de

Análisis Del Paso”, realizado por JoAnne K. Gronley y Jacquelin Sidra en 1984, etc.)

Desarrollo de nuevas herramientas para el estudio de la marcha, donde día a día se

construyen nuevos equipos para la evaluación de variables biológicas, físicas y mecánicas

en individuos. Algunos de estos equipos son: plataformas dinamométricas,

electrogoniómetos, electromiográfos, sensores superficiales, sensores de punta, cinta

ergométrica, plantillas instrumentadas, podometros, equipos de ultrasonido, acelerómetros

tridimensionales, etc. (Ej.: “Control Inteligente de Una Prótesis de Rodilla”, realizado por

el Dr. Daniel Zlatnik en 1998. “Nuevos Métodos CAD/CAM Para Realizar Diseño de

Prótesis”, realizado por Dudley S. Childress en 1999. “Soluciones de Optimización Estática

y Dinámica Para la Marcha”, realizado por Frank C. Anderson en el 2000, etc.)[34]

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Métodos de análisis de la marcha del amputado. Se han diseñado programas para el

análisis del movimiento humano y para el procesamiento de imágenes, también se han

creado modelos matemáticos de la marcha humana para estimar requerimientos mecánicos

en las prótesis, se han diseñado técnicas de inteligencia artificial (Redes Neuronales

Artificiales) para el reconocimiento y clasificación de patrones de marcha. (Ej.: “Validez de

la Comparación Pedictiva de Cuatro Modelos Balísticos de la Fase de Balanceo en la

Marcha Humana”, realizado por Rud W. Selles, Johannes B.J. Bussmann en 2001.

“Modelamiento Matemático de la Marcha Humana, realizado por Mohamad Parnianpour en

2000. “Modelo de un electrogoniómetro y su Calibración Para Aplicaciones

Biomecánicas”, realizado por Dr. Giovanni Legnani en 2001. “Análisis Analítico de la

Fuerza Compartida Entre Los Músculos de Prótesis de Uno y Dos Grados de Libertad”,

realizado por Dr. Paul Binding en 2000. “Validación de Modelo del Miembro Inferior Con

Fuerzas Telemétricas Femorales”, realizado por Dr. Tung-Wu Lu en 1997, etc.)[37]

Tratamiento de datos generados durante el análisis biomecánico de la marcha, se han

generado avances considerables en esta área, gracias a la incorporación de técnicas

estadísticas de reconocimiento y clasificación de patrones (Fukunaga, 1990; Duda y Hart,

1973). Éstas técnicas incluyen clasificadores estadísticos, análisis factorial discriminante,

componentes principales, etc. (Ej.: “Comparación de Diferentes Cálculos de Articulaciones

Cinemáticas Tridimensionales de un Sistema de Datos Basado en Video”, realizado por el

Dr Lawrence Che’ze en el 2000, etc.)[30]

Comparación de tipos de prótesis, se han realizado estudios comparativos del

funcionamiento de diferentes tipos de prótesis tanto de pies protésicos, prótesis transtibiales

y prótesis transfemorales. (Ej.: “Comparación del Pie SACH (Solid-Ankle-Cushion Heel) y

el 1-Eje”, realizado por Doane y Holt en 1983. “Estudio de la Simetría Unilateral del Paso

de Amputados en Tres Prótesis Durante la Marcha”, realizado por J.E. Perry, J.D. Redhead

en 1999. “Metodología Para Estudiar Los Efectos de Varios Tipos de Pies Protésicos en la

Biomecánica de la Marcha del AmputadoTrans-femoral”, realizado por S.E. Solomonidis

en 1999, etc.)[29]

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Estudios sobre la marcha humana normal y protésica, se han desarrollado varios estudios

entre los cuales están: (Ej.: “Estudio Piloto Para La Clasificación De Patrones De Marcha

De Amputados Tibiales De Miembro Inferior Y Personas Normales”, realizado por Ruben

Lafuente en 1993. El “Análisis De La Marcha En Portadores De Prótesis Del Miembro

Inferior”, realizado por la Dra. Soraia Cristina Tonon en el 2001. El “Análisis de

Parámetros Cinemáticos de la Marcha Normal”, realizado por el Dr. Orive J Pérez en 1998.

“Balance Humano y Control de la Postura Durante la Marcha”, realizado por PhD. D A

Winter en 1995. “Variación Cinemática y Cinética de la Marcha en Amputados Abajo de la

Rodilla”, realizado por Hamid Bateni, MSc, CPO Sandra J. Olney, PhD en el 2002.

“Análisis de Marcha Clínica y Su Papel en la Decisión-fabricación del Tratamientos”,

realizado por Roy B. Davis en el 2002, etc.) [29, 30, 33, 34]

1.2. OBJETIVOS

En éste proyecto se desarrolla una herramienta de software para la evaluación funcional

(biomecánica) de dispositivos protésicos en pacientes amputados en sus extremidades

inferiores. La herramienta utilizará: información fisiológica del paciente (longitudes y

diámetros de segmentos corporales, peso, estatura, etc.), determinada por personal experto

(médicos ortopedistas y fisioterapeutas), datos dinámicos (cinemática y cinética) de la

marcha humana importados del software APAS System instalado en los computadores del

Laboratorio de Análisis de Movimiento de la Universidad de Los Andes y del Instituto de

Ortopedia Infantil Roosevelt y conocimientos de ingeniería mecánica (biomecánica, diseño

mecánico, materiales, estática, dinámica, mecanismos, etc).

De igual forma se crea una base de datos, en la cual se tiene un registro de las principales

alteraciones de las extremidades inferiores durante el 100% del Ciclo de Marcha y sus

posibles causas protésicas y anatómicas asociadas.

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El cruce de información entre los resultados arrojados por la herramienta de software

(evaluación gráfica y numérica de parámetros cinemáticos y cinéticos del paciente) y la

información de la base de datos, da como resultado un diagnóstico sobre las posibles causas

protésicas más relevantes del patrón de marcha, proporcionando al personal médico

criterios objetivos para la formulación de posibles rediseños en las prótesis.

1.3. ORGANIZACIÓN DEL DOCUMENTO

Éste documento se ha dividido de la siguiente forma: existe un primer capítulo denominado

Análisis de la Marcha Humana Normal, en el cual se exponen algunas generalidades del

Ciclo de Marcha, se mencionan los movimientos más importantes de las articulaciones de

las extremidades inferiores (cadera, rodilla y tobillo), se describe brevemente la

biomecánica articular (cinemática y cinética) y finalmente se exponen algunas técnicas de

análisis del movimiento humano.

En un segundo capítulo se habla del Análisis De La Marcha Humana Protésica, donde se

plantean algunos factores que afectan la marcha protésica y se presenta información sobre

las principales alteraciones de la marcha humana normal debido a la carencia de una de las

extremidades inferiores.

La información sobre las alteraciones de la marcha normal y sus posibles causas asociadas,

es un resumen de la investigación total con la que se construyo la base de datos.

Adicionalmente se explica cómo se realizó la conformación de la base de datos, cómo se

clasificaron las alteraciones, qué causas protésicas y/o anatómicas se asocian a cada

alteración. Y finalmente se explica cómo la herramienta hace la búsqueda en la base de

datos, para generar un reporte final de las causas protésicas más relevantes.

En un siguiente capítulo, Herramienta de Software, se desatan los principios básicos de

estructuración y funcionamiento de la herramienta, el manejo del análisis en pacientes

protésicos, la selección de tipos de análisis a desarrollar (cinemático, cinético, por paciente,

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por extremidad, etc), la generación de reportes de normalidad y el análisis de las

alteraciones en porcentajes puntuales del ciclo de marcha.

Luego se presenta el capítulo de Pruebas Preliminares De Marcha Protésica, en donde se

mencionan las pruebas de análisis de marcha de pacientes protésicos (amputados por

encima de la rodilla), realizadas por personal experto en el Laboratorio de Análisis de

Movimiento. Además se presenta un ejemplo de utilización de la herramienta y la base de

datos para llevar a cabo una evaluación funcional del dispositivo protésico de un paciente.

Finalmente se presentan unas Conclusiones y Recomendaciones, basadas en los resultados

más importantes del trabajo y se proponen algunos Trabajos a Futuro que se pueden llegar

a obtener mediante la utilización y complemento de esta herramienta.

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2. ANALISIS DE LA MARCHA HUMANA NORMAL

2.1. LA MARCHA HUMANA

El Ciclo de Marcha (C. M.) o zancada se puede describir como una serie de movimientos

alternantes, rítmicos y simétricos de las extremidades y del tronco. Estos movimientos

tienen lugar entre dos repeticiones consecutivas de uno de los sucesos de la marcha y

generan un desplazamiento hacia delante del centro de gravedad.

Por conveniencia, se adopta como inicio del ciclo el instante en que el pie derecho hace

contacto con el suelo a través del talón y como final, el siguiente apoyo del mismo pie. Por

su parte, el pie izquierdo experimenta la misma serie de acontecimientos del derecho,

desplazados en el tiempo por medio ciclo [1].

Algunos parámetros que describen la marcha son: la cadencia: número de pasos ejecutados

en un intervalo de tiempo, siendo su unidad más común el paso por minuto y la velocidad

de la marcha, que es la distancia recorrida por el cuerpo en una unidad de tiempo.

Durante un Ciclo de Mancha completo, cada pierna pasa por una fase de apoyo (60% del C.

M.), durante la cual un pie se encuentra en contacto con el suelo, comienza con el contacto

inicial y finaliza con el despegue del antepié, seguida por una fase de oscilación (40% del

C. M.), (Figura 1.), en la cual el pie se halla en el aire al tiempo que avanza, transcurre

desde el instante de despegue del antepié hasta que el talón vuelve a estar en contacto con

el suelo, como preparación para el siguiente apoyo[2].

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Fig.1. Fase de apoyo y oscilación de la marcha humana. Tomada de la Ref.[27]

Se presentan dos fases de apoyo bipodal, de un 10% de duración cada una, en la cual los

dos pies están en contacto con el suelo. El tiempo de apoyo monopodal izquierdo debe

coincidir con el tiempo de oscilación derecho. Las dos fases principales del Ciclo de

Marcha, (Figura 2.), se dividen a su vez en subfases (Tabla 1.).

Fig. 2. Ciclo de marcha normal. Tomada de la Ref. [2]

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Una subdivisión del Ciclo de Marcha muy utilizada en la actualidad, considera el apoyo

compuesto por cinco fases elementales, y la oscilación formada por otras tres [17].

TABLA 1. Subdivisiones del Ciclo de Marcha. Tomada de la Ref.[21]

Fase de Apoyo % C. M.

Fase de contacto inicial (CI) 0-2%

Fase inicial del apoyo o de respuesta a la carga (Al) 0-10%

Fase media del apoyo (AM) 10-30%

Fase final de apoyo (AF) 30-50%

Fase previa a la oscilación (OP) 50-60%

Fase de Oscilación

Fase inicial de la oscilación (OI) 60-73%

Fase media de la oscilación (OM) 73.87%

Fase final de la oscilación (OF) 87-100%

2.2. MOVIMIENTOS DE LAS EXTREMIDADES INFERIORES

En el ámbito anatómico tridimensional se manejan tres planos para dividir el cuerpo humano

(Figura 3) [25]. Estos planos están compuestos por líneas imaginarias que lo dividen en

secciones:

- Plano Frontal Coronal o Longitudinal): Esté plano divide el cuerpo en dos partes,

anterior y posterior.

- Plano Sagital: Esté plano divide el cuerpo en lado derecha y lado izquierda. Es el único

plano de simetría del cuerpo humano.

- Plano Transversal (Horizontal): Esté plano divide el cuerpo en dos secciones, superior

e inferior.

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Fig.3. Planos anatómicos del cuerpo humano. Tomado de la Ref. [15]

La mayoría de los movimientos posibles en el cuerpo humano requieren de una rotación

alrededor de un eje que pasa por el centro de la articulación. Estos movimientos son llamados

movimientos angulares.[26]

En éste proyecto, los planos anatómicos del ser humano son de gran importancia ya que

los movimientos angulares, las fuerzas, momentos y potencias musculares de cada

articulación serán estudiados respecto al plano en el que se desarrollen, con el fin de

obtener una caracterización de las articulaciones en el espacio tridimensional.

2.2.1. Principales Movimientos De La Cadera [15]

- Flexión – Extensión: Durante la flexión, el fémur se desplaza hacia atrás y durante la

extensión, el fémur se desplaza hacia delante, (Figura 4 .a.)

- Abducción – Aducción: En la abducción el fémur se aleja del eje medio y en la aducción

el fémur se acerca al eje medio, (Figura 4 .b.)

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- Rotación Interna – Rotación Externa: En la rotación interna el fémur tiene a rotar

hacia dentro, y en la rotación externa, por el contrario, el fémur rota hacia fuera del eje

medio, (Figura 4.c.)

Fig. 4. A. Flexión-Extensión, B. Abducción-Aducción y C. Rotación Interna-Rotación

externa. Tomada de la Ref. [15]

2.2.2. Principales Movimientos De La Rodilla [15]

- Flexión – Extensión: Durante la flexión, la pierna (tibia y peroné) se desplaza hacia atrás,

se acerca al muslo por la parte posterior y durante la extensión, la pierna se desplaza hacia

delante, (Figura 5.)

- Varo (Abducción) – Valgo (Aducción): En varo, la pierna se aleja del eje medio y en

valgo la pierna se acerca al eje medio.

- Rotación Interna – Rotación Externa: En la rotación interna la pierna rota hacia dentro,

y en la rotación externa, por el contrario, la pierna rota hacia fuera del eje medio de la

rodilla.

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Fig. 5. Grados de libertad de la articulación de la rodilla. Tomada de la Ref.[15]

2.2.3. Principales Movimientos Del Pie [15]

- Flexión plantar- Flexión dorsal. En la flexión plantar se baja la porción anterior y se levanta

la posterior. En la flexión dorsal sube la porción anterior y baja el talón, (Figura 6.) Este

movimiento pueden hacerlo también aisladamente los dedos del pie.

- Inversión-Eversión. La inversión se da cuando elevando el borde interno del pie, se muestra

la planta del pie a la mitad opuesta en posición anatómica. Durante la eversión es el borde

externo el que se eleva.

- Rotación Interna-Rotación Externa. En rotación interna la punta del pie se dirige hacia

dentro y en rotación externa, la punta del pie se dirige hacia fuera del eje medio.

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Fig.6. Movimientos del pie. Tomada de la Ref.[15]

2.3. BIOMECÁNICA DE LA EXTREMIDAD INFERIOR

2.3.1. Articulación Del Tobillo. Unión entre la tibia y el pie, donde se da una transferencia

de las fuerzas verticales de soporte del cuerpo a un sistema de apoyo horizontal [12].

- Cinemática: El papel del tobillo es esencial para la progresión y absorción del impacto en

la fase de apoyo, y facilita el avance del miembro durante la oscilación.

Fig.7. Cinemática del tobillo (plano sagital) a cadencia libre. Tomada de la Ref. [26]

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Durante el ciclo de marcha, el tobillo presenta dos trayectorias de flexión plantar y dos de

flexión dorsal. (Figura 7.). El rango del movimiento oscila aproximadamente, entre 20º y

40 º. El contacto inicial se realiza mediante el talón (tobillo en posición neutra, 0°

anatómicos), ligeramente flexionado plantarmente, seguido empieza a moverse en dirección

de la flexión plantar (15°), luego de estar la planta del pie en el suelo, la tibia y el peroné

empiezan a rotar hacia adelante sobre el pie fijo.

- Cinética: Durante el apoyo, la demanda funcional sobre el tobillo proviene de la fuerza de

reacción y del peso del cuerpo. En la oscilación, los factores determinantes son la fuerza de

inercia actuante sobre el pié. A lo largo del apoyo, el centro de presiones avanza sobre la

base del pie a partir del talón hasta las articulaciones metatarsofalángicas.

Fig. 8. Fuerzas de reacción en el pie durante el apoyo. Tomada de la Ref. [27]

Existe una fase de absorción de energía, que corresponde a la flexión plantar inicial y una

fase de generación de potencia, que tiene lugar durante la flexión plantar final durante el

apoyo. Los momentos y potencias articulares presentan variaciones intra e

interindividuales, además no son medibles directamente sino que se calculan en base a la

fuerza de reacción y a la cinemática de la marcha. [21]

2.3.2. Articulación De La Rodilla. La rodilla es la articulación entre dos huesos largos

(fémur y tibia). La movilidad y estabilidad de la rodilla es fundamental durante la marcha.

En el apoyo, la rodilla es el principal determinante de la estabilidad de las extremidades. En

la oscilación, la flexibilidad de la rodilla constituye el factor más importante para el avance.

- Cinemática: Presenta un gran rango de movimiento en el plano sagital y pequeños arcos

de movilidad frontal y transversal. El movimiento de flexo-extensión en el plano sagital se

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utiliza para la progresión en la fase de apoyo y para el avance del miembro en la de

oscilación. El movimiento en el plano frontal facilita el equilibrio vertical sobre el

miembro, presentando movimientos de abducción y aducción. El movimiento normal de la

rodilla durante la marcha está entre 0° y 70°. En el plano transversal, durante la fase de

respuesta a la carga, se produce una rotación interna del miembro inferior completo y

durante el resto del apoyo, el fémur y la tibia rotan externamente.

Fig. 9. Cinemática de la rodilla (Plano sagital). Tomada de la Ref. [26]

- Cinética: Durante la fase de apoyo, la alineación de la fuerza de reacción con la rodilla

crea un patrón alternativo de momentos de extensión-flexión, a lo largo de la fase de

sustentación. En el instante de contacto inicial la fuerza de reacción es anterior a la rodilla.

Así se produce un momento extensor durante el inicio del ciclo. Al final de la fase de

respuesta a la carga, el vector sobrepasa el centro de la rodilla y pasa a ser posterior a ella,

por lo cual aparece un momento de flexión. En el apoyo medio, disminuye el momento de

flexión en la rodilla, se llega a un alineamiento neutro, el cuerpo continua avanzando sobre

el pie de apoyo y el vector de fuerza pasa a ser anterior a la rodilla en el final del apoyo,

generándose un momento extensor. En la fase previa a la oscilación el vector vuelve a ser

posterior a la rodilla, creando un nuevo momento de flexión, (Figura 10.)

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Fig.10. Dirección estimada de las fuerzas de reacción con respecto a la rodilla.

Tomada de la Ref. [21]

2.3.3. Articulación De La Cadera

La cadera constituye el punto de unión entre el cuerpo del sujeto y su sistema de

locomoción. Ésta articulación proporciona movilidad en las tres dimensiones.

Fig. 11. Cinemática de la cadera. Tomada de la Ref. [26]

- Cinemática. El mayor rango de movimiento de la cadera se da en el plano sagital. En el

plano frontal, el movimiento es escaso, y la rotación en el plano transversal es menor. En el

plano sagital se produce una extensión en el apoyo y una flexión en la oscilación, (Figura

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11). El rango total de movimiento normal en la cadera es de unos 40° (10° de extensión y

30° de flexión). Clínicamente la posición cero, corresponde al fémur en posición vertical.

En el contacto inicial, la cadera está aproximadamente a 30 grados de flexión, después en el

apoyo medio, la cadera empieza a moverse en extensión, y luego se mueve

aproximadamente 20 grados de flexión, para llegar a posición neutra.

- Cinética. La posición del vector fuerza de reacción con respecto a la articulación de la

cadera en los planos sagital y frontal cambia a medida que el cuerpo avanza sobre el

miembro de apoyo y esta influenciado por la acción del peso y de las fuerzas inerciales de

la extremidad inferior. En la fase de apoyo, el vector de reacción es anterior a la cadera,

luego para a ser posterior, generando así un momento máximo de flexión. En el contacto

inicial se genera una fuerza externa vertical de reacción, situada por delante de la cadera,

que mueve la cadera en flexión. En la fase de apoyo medio, el momento de la fuerza de

reacción pasa a ser extensor, y continua así hasta el final del apoyo.

2.4. TÉCNICAS DE ANÁLISIS DE LA MARCHA HUMANA

Estudios realizados de las extremidades inferiores dan como resultado una caracterización,

comprensión y descripción de su movimiento en diferentes ámbitos, lo cual contribuye con

el diseño y construcción de prótesis más eficientes.

Las técnicas más utilizadas para el análisis de la marcha humana se dividen en:

- Técnicas De Medición Cinemática. Son diferentes los sistemas de medida utilizados

para el estudio del movimiento de los segmentos corporales de un individuo, según la

tecnología utilizada, estos son: electrogoniómetros (uniaxiles, biaxiales o triaxiales),

sistemas de ultrasonidos, acelerómetros (uniaxiles, biaxiales o triaxiales) y equipos de

estereo-fotogrametría [21].

- Técnicas De Medición Cinética. Éstas técnicas se reducen a la captación de fuerzas

externas ejercidas sobre el medio donde se ejecuta el movimiento. En las extremidades

inferiores, se estudian las fuerzas de acción-reacción ejercidas por y hacia el suelo.

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Los sistemas de medición cinética directa se dirigen a la determinación de las fuerzas

ejercidas sobre el medio exterior por un sujeto en movimiento. Para tal fin, es conocido la

utilización de plataformas de fuerza, plataformas de presión, plantillas instrumentadas,

calzado instrumentado, técnicas de cálculo cinético y modelamiento matemático.

- Técnicas De Análisis Electromiográfico. La evaluación cualitativa y cuantitativa de la

actividad muscular, se realiza mediante las técnicas de electromiografía superficial con

sensores superficiales o electromiografía interna con sensores de punta.

2.5. NORMALIDAD DE LA MARCHA HUMANA

Una vez estudiada la marcha humana, la biomecánica articular de cadera, rodilla y tobillo, y

partiendo de la individualidad estructural y de movimiento de las personas, es necesario

determinar un rango de normalidad que permita evaluar y comparar cuantitativamente la

dinámica de individuos protetizados contra individuos normales.

Se han consultado los resultados de diferentes estudios sobre la dinámica de la marcha

humana en la población normal, con el fin de obtener rangos de normalidad cinemáticos y

cinéticos articulares de las extremidades inferiores (Ej.: “Normal 3D Kinematics and

Kinetics From MAC System” realizado por Andreas Kranzl, Viena, “Normalised

Temporal-Spatial parameters” realizado por AtHof, “Estudio Cinemático y Cinético de Las

Extremidades Inferiores, realizado por el Instituto Biomecánico de Valencia, etc).

Los valores de normalidad utilizados por la herramienta en el proceso de evaluación de las

prótesis durante la marcha, fueron tomados de las gráficas de normalidad obtenidas del

estudio cinemático y cinético de la marcha humana en 3D de población normal (Figura

12.), con el software ExpertVision & Orthotrak realizado por el Dr.Chris Kirtley, de la

CGA (ClinicalGait Analysis) [37]. De estás gráficas de estimaron los valores normales y

sus rangos de normalidad (máximos y mínimos) para puntos críticos del Ciclo de Marcha.

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Fig. 12. Gráficas cinemáticas de normalidad. Tomada de la Ref. [37]

La evaluación de normalidad que hace la herramienta de software se ha diseñado partiendo

del hecho de que no todas las personas tienen un patrón de marcha igual, sino que para cada

persona es diferente, dependiendo de la influencia de diferentes variables. Por tal razón, la

herramienta no califica el patrón de marcha de un paciente como anormal, por el simple

hecho de que el patrón de éste no sea igual al de una persona normal.

El diagnóstico de normalidad se basa en varias evaluaciones de parámetros cinemáticos del

paciente, en donde partiendo de los datos de normalidad y su respectivo rango de

normalidad definido en el programa, se calcula si el valor del parámetro estudiado está

dentro del rango de normalidad, sí es así, el programa concluye que es normal, si no es así,

el programa concluida que es anormal.

3. ANALISIS DE LA MARCHA HUMANA PROTÉSICA

Luego de realizar un acercamiento a los diferentes estudios realizados sobre la marcha

humana normal y protésica, se llego a la construcción de una base de datos sobre las

principales alteraciones del patrón de marcha humana normal, debidas a la implementación

de dispositivos protésicos en extremidades inferiores de personas amputadas.

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La construcción de esta base de datos esta fundamentada en el conocimiento diferentes

factores biomecánicos que influencian el desempeño de las prótesis implementadas en

pacientes, del conocimiento de las alteraciones comúnmente presentadas en la marcha

protésica y de las posibles causas protésicas y anatómicas relacionadas con las alteraciones.

Para poder restaurar la capacidad de marcha en personas amputadas, se debe hacer una

adaptación en la marcha, un entrenamiento adecuado para la utilización de la musculatura

remanente y algo muy importante, la adaptación de una prótesis funcional, que ayude en su

proceso de rehabilitación. Las prótesis comunes, proporcionan únicamente un soporte

estático, pero no prestan las funciones dinámicas que corresponden a la actividad muscular

pérdida. A pesar de todos los avances en el campo del control postural en bipedestación, se

siguen presentando deferentes problemas, uno de ellos, la asimetría (derecha-izquierda)

durante la marcha que no se ha logrado modificar con técnicas de rehabilitación.

3.1. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA MARCHA DEL

AMPUTADO

La mayoría de factores que influyen en la marcha de una persona amputada comúnmente

han sido descritos cualitativamente [21], pero no cuantitativamente. Algunos de éstos son:

- Factores ambientales externos: Algunos de estos factores son: la superficie del

terreno en el cual se desplace el paciente, la iluminación del lugar, la visibilidad del

entorno, el tipo de calzado utilizado, etc.

- Factores del ámbito interno del individuo: El conocimiento previo del entorno,

voluntad para volver a caminar, espontaneidad del patrón de marcha, estado de

ánimo, motivación personal para rehabilitarse, factores psicológicos, etc.

- Factores individuales: Edad, altura, peso, sexo, entrenamiento físico, etc.

- Factores relacionados con la dinámica de la marcha: cadencia, velocidad, etc.

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- Factores específicos del amputado: Estos factores se dividen a su vez en:

Factores derivados de la amputación: se relacionan con la etiología u origen de la

amputación, la técnica quirúrgica empleada por el cirujano, el nivel de amputación,

estado del muñón, tiempo de rehabilitación, etc.

Factores derivados de la protetización: entre estos factores se encuentran: la

adaptación del encaje al paciente, la alineación de las piezas, el mecanismo

protésico como tal, etc.

Factores derivados de la rehabilitación: Algunos de estos son: el entrenamiento del

paciente con su prótesis, los mecanismos de readaptación, etc.

Muchos factores influyen en la marcha humana normal y protésica, pero los factores

individuales y protésicos, son de gran importancia a la hora de diseñar, evaluar y rediseñar

prótesis, como es el objetivo en éste proyecto. La individualidad estructural de todas las

personas, influye en diversos aspectos como: la cinemática de la marcha, la actividad

muscular y en las fuerzas de reacción que ejerce el suelo sobre las extremidades inferiores.

Así mismo los factores relacionados con las prótesis, son también muy importantes en el

proceso de rehabilitación de los pacientes protetizados, ya que si el dispositivo de

reemplazo no funciona bien, la marcha del paciente tampoco va a ser la mejor.

De un modo esquemático, los factores que pueden influir sobre la marcha del amputado,

derivados de la protetización, se pueden subdividir en:

- Los que afectan a la interfase muñón-prótesis (encaje). El diseño y construcción de

esta interfase, es de gran complejidad ya que hay una gran variedad de formas de

muñón, manufacturas de encaje y criterios de distribución de las presiones en la

interfase muñón-prótesis (Meier et al., 1973). Son frecuentes los problemas de

adaptación del muñón y el encaje, para intentar resolverlos se modifica la prótesis por

el procedimiento de “ensayo-error”, basándose en la observación clínica y en una serie

de indicaciones genéricas empíricas. La adaptación del encaje, a su vez, va a depender

del tipo de encaje, manufactura del mismo, sistema de fijación y tipo de suspensión.

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- Los relativos al segmento intermedio de la prótesis (alineación). Siempre se debe

buscar una adecuada relación espacial entre los elementos de la prótesis (encaje,

segmento intermedio y porción distal), ya que esta alineación de piezas influye

considerablemente en la ejecución de la marcha, reflejándose en la existencia de

fuerzas medio-laterales y antero-posteriores, a la hora de adaptar y alinear el encaje.

- Aquellos que dependen del mecanismo articular (articulación protésica). Es relevante

el diseño de la articulación protésica, que reemplazará a la anatómica en la prótesis, ya

que depende en gran medida de ésta el desarrollo del movimiento.

- Y los relacionados con la porción distal de la prótesis (complejo tobillo-pie protésico).

Para el estudio de la porción distal de las extremidades inferiores no existen bases

científicas claras para la elección de qué mecanismo es más idóneo para cada caso,

sólo se dispone de una serie de recomendaciones cualitativas que proporcionan los

fabricantes de dichos dispositivos. El médico que prescribe la prótesis escoge uno u

otro, según preferencias o la experiencia profesional.

Aunque se dispone de conocimientos sobre la marcha protésica, no existe un conocimiento

exhaustivo y sistemático sobre cómo se ve afectado el patrón de marcha al modificar uno o

varios de los factores mencionados anteriormente. La mayoría de las investigaciones y

trabajos publicados sobre el estudio de la marcha en amputados, se han enfocado al análisis

dinámico de prótesis tibiales, y de algunos otros tipos de prótesis.

3.2. BASE DE DATOS DE ALTERACIONES DE LA MARCHA

HUMANA

El análisis del movimiento humano normal data de tiempos remotos, pero en lo referente al

análisis de la marcha humana protésica existe un gran vacío conceptual, ya que la

utilización de tecnología avanzada para el estudio del movimiento es reciente.

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Inicialmente se trabajó en la comprensión de la marcha humana normal y actualmente se

han realizado estudios primarios sobre la biomecánica de la marcha humana protésica,

dando como resultado reportes sobre cuáles son las principales alteraciones del patrón de

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Apoyo Medio 35 Apoyo Final / Oscilación Inicial 55

Oscilación Media 75

Oscilación Final 100

Una vez definida la estructura de la base de datos se procede a utilizar la información

recolectada de la consulta bibliográfica sobre evaluaciones de marcha protésica, equipos y

técnicas de evaluación de alteraciones de la marcha normal, y de las posibles causas que las

generan, son el fin de construir la base de datos. A continuación se presentan algunos

apartes de estos resultados.

3.2.1. Alteraciones De La Marcha Protésica En La Amputación De SYME.

Si el paciente lleva una prótesis bien adaptada, puede conseguir una marcha bastante buena.

Las alteraciones de la marcha con la prótesis de SYME pueden estar originadas por

incomodidad dentro del encaje o por alineación o selección incorrecta del tipo de pie

protésico. Por ejemplo, si el talón es demasiado rígido, no amortiguará correctamente en el

momento de contacto inicial y la rodilla tenderá a flexionarse de forma anormalmente

rápida. Una la quilla es excesivamente larga, ésta interferirá en la deformación del antepié

en el final del apoyo. Si la alineación del pie con la pierna protésica es defectuosa, estando

en flexión plantar excesiva, la pierna tenderá a retraerse y la rodilla no se flexionará de

forma adecuada. Esto mismo ocurre al utilizar un zapato con un tacón más bajo que el que

se ha diseñado para ese pie protésico [21].

3.2.2. Alteraciones De La Marcha Protésica En La Amputación Tibial

Muchos sujetos con amputación tibial caminan relativamente bien, la detección de cojera

en estos pacientes durante la marcha es una tarea difícil a simple vista. No obstante, las

técnicas de laboratorio permiten observar desviaciones sutiles en el patrón de marcha. Estas

alteraciones se pueden observar mejor, según el plano anatómico seleccionado:

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- Alteraciones en el plano sagital. En éste plano la marcha se altera clínicamente cuando

la flexión de la rodilla está limitada o es excesiva durante la fase de apoyo.

La flexión excesiva de rodilla durante el inicio del apoyo puede estar originada por algún

factor protésico o anatómico, que permita a la fuerza de reacción permanecer por detrás de

la rodilla, produciendo un momento de flexión. Una retracción en flexión de la rodilla

aumenta la tendencia de ésta a flexionarse. El paciente con debilidad del cuádriceps puede

experimentar inestabilidad o movimientos bruscos en la rodilla, manifestándose una

excesiva flexión o por mecanismos de compensación como el enderezamiento voluntario de

la rodilla, o por una ligera inclinación anterior del tronco [21].

Entre las causas protésicas se encuentran:

- Un talón protésico que sea demasiado rígido.

- Zapato que tenga un tacón demasiado alto para el pie protésico elegido.

- Pie se alinea en dorsiflexión

- Flexión excesiva del encale o su desplazamiento anterior.

- Mala suspensión.

- Retracción de flexores de rodilla [38].

El amputado puede caminar con una flexión de rodilla insuficiente o ausente del lado

amputado, durante el inicio del apoyo, esta situación ocurre cuando la fuerza de reacción se

sitúa por delante de la misma.

Algunas causas anatómicas son:

- Paciente con espasticidad.

- Debilidad del cuádriceps.

- Dolor en la zona antero-distal del muñón.

- Sujeto acostumbrado a prótesis de madera.

Entre las causas protésicas se encuentran:

- Falla en la suspensión.

- Excesiva tensión del encaje.

- Talón protésico demasiado blando.

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- Tacón de zapato excesivamente bajo.

- Pie alineado en flexión plantar.

- Aumento de la inclinación posterior del socket.

- Encaje colocado en escasa flexión, o colocado demasiado posterior.

La flexión de rodilla retrasada en la fase final del apoyo, se puede presentar si la fuerza de

reacción permanece anterior a la misma. Bajo tales circunstancias, la articulación de la

rodilla puede permanecer en extensión durante la parte final de la fase de apoyo y el

paciente puede quejarse de dificultad para finalizar el apoyo, o puede tener la sensación de

caminar subiendo una rampa.

Algunas causas de ésta alteración son:

- Una rodilla con artropatía.

- Una quilla del pie SACH excesivamente larga.

- Un tacón de zapato más bajo del diseñado para el pie protésico utilizado.

- Un pie colocado en flexión plantar.

La flexión prematura de rodilla en la fase final del apoyo. La flexión en éste momento debe

coincidir con el paso del centro de gravedad sobre la articulación metatarsofalángica. La

fuerza de reacción pasa por detrás de la rodilla y el sujeto se puede quejar de que la rodilla

“cede” y desciende.

Algunas causas de éste fenómeno son:

- Una retracción en flexión de la rodilla.

- Excesiva dorsiflexión del pie.

- Un pie protésico demasiado corto, o uno que tenga una quilla demasiado corta.

- Un encaje situado demasiado anterior, o excesivamente flexionado.

- Alteraciones en el plano frontal. En éste plano el sujeto amputado puede mostrar un

excesivo movimiento del encaje, durante la fase media del apoyo. Este movimiento

excesivo produce un empuje del encaje duro sobre la piel y el tejido celular del muñón.

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Una alineación medial del pie, o de la prótesis “en varo”, o con excesiva aducción del

encaje, origina que el borde del encaje deje un hueco en la zona lateral y se comprimen los

tejidos de la zona medial proximal. Al mismo tiempo se produce un aumento de la fuerza

estabilizadora lateral, que ejerce una presión aumentada sobre la zona distal del peroné.

Cuando la alineación del pie se hace lateral al encaje, o con la prótesis en valgo, o en

abducción, se produce un empuje del borde lateral del encaje sobre la cabeza del peroné y

sobre la zona tibial distal, lo cual puede resultar incómodo. Esta alineación produce además

una marcha con excesiva anchura del paso y con excesiva inclinación lateral del tronco, que

produce fatiga y es antiestética.

3.2.3. Alteraciones De La Marcha Protésica En Las Prótesis Femorales Y Para

Desarticulación De Rodilla.

En éste nivel de amputación el paciente carece del pie y la rodilla anatómicas, lo cual

compromete considerablemente su marcha. La cojera de pacientes con desarticulación de la

rodilla o con amputación femoral es notoria en comparación con los amputados tibiales.

El peso de este tipo de prótesis es inferior al del segmento anatómico, lo cual es percibido

por el paciente y la mayoría de veces la considera como una carga, probablemente debido a

la imperfecta unión con el cuerpo y a la pérdida del control neuromuscular en esta zona.

Algunos estudios realizados a pacientes con desarticulación de la rodilla o con amputación

femoral han demostrado que las modificaciones en el peso del pie protésico no alteran la

longitud de zancada, el movimiento de la rodilla, o la velocidad de la marcha [25], mientras

que las modificaciones en el peso de la pierna protésica si afectan la cadencia.

Otras características de la marcha en amputados femorales son las siguientes:

- La pelvis tiende a elevarse en el lado de la prótesis oscilante, en lugar del descenso

que ocurre en los sujetos normales.

- La pelvis puede contribuir a la oscilación de la prótesis, compensando la pérdida del

despegue activo de la misma.

- La actividad de la rodilla artificial es diferente a la anatómica, que se flexiona al

inicio del apoyo para reducir el desplazamiento vertical del centro de masas.

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- El amputado no puede permitir la flexión de la rodilla, al haber perdido la

efectividad del cuádriceps que normalmente la controlaría.

Además, el talón del pie protésico no permite el control fino de la flexión plantar durante el

inicio del apoyo. Las deficiencias en la rodilla artificial, obliga al miembro sano a

compensar las insuficiencias del lado protésico. Por lo anterior, la marcha se hace bastante

asimétrica, aumentando esta diferencia cuando el paciente camina por terreno irregular,

corre, sube, salta o aborda otras actividades cotidianas.

- Alteraciones en el plano sagital. Las alteraciones de la marcha en este plano se describen

a continuación según el orden de aparición en el ciclo de marcha.

La caída plantar al inicio del apoyo, se debe a un ajuste o selección defectuosa del pie

protésico. Si se selecciona el pie apropiado, el sujeto sería capaz de comprimir la porción

posterior del pie en el contacto de talón, lo cual permitiría que todo el pie contacte con el

suelo y estabilice al sujeto. Si el cojín del talón es demasiado blando, cederá rápidamente.

Si la suela del zapato es de cuero, el pie caerá ruidosamente sobre el suelo.

El golpe de la planta del pie en el suelo, en donde el pie se flexiona plantarmente

demasiado rápido, generando un golpeteo con el suelo, se puede observar justo después del

apoyo del talón y puede ser causado cuando el talón es demasiado blando o no ofrece

suficiente resistencia al movimiento del pie, a medida que el peso se transfiere a la prótesis

(Figura 13).

Fig. 13. Golpe de la planta del pie en el suelo. Tomada de la Ref. [39]

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La inadecuada elevación del talón, se exhibe cuando hay un movimiento asimétrico de la

pierna durante el inicio de la oscilación. El talón asciende demasiado, o muy poco, en

comparación con el del lado sano. La causa esta alteración está en un mal ajuste de la

articulación de la rodilla artificial. Si el mecanismo de fricción no amortigua la acción

pendular de la pierna, ésta oscilará más alto de lo normal, incluso cuando la unidad de

fricción por deslizamiento está ajustada a la cadera habitual del sujeto, una marcha más

rápida originará una excesiva elevación del talón, al no compensar los cambios en la

velocidad de la marcha. En contraste, los mecanismos de control hidráulico o neumáticos,

si se regulan correctamente a la velocidad habitual del sujeto, incrementarán

automáticamente la amortiguación cuando el sujeto aumenta el ritmo de la marcha. El

mecanismo de control hidráulico puede mantener razonablemente la simetría del ascenso

del talón durante la marcha rápida [21].

Si las ayudas de extensión internas o externas de la rodilla no resisten el movimiento de la

pierna en el despegue, el resultado será una excesiva elevación del talón. La pérdida del

mecanismo de fricción o a tirantez de la ayuda de extensión tendrá el efecto opuesto. Por

último, si el paciente hace una flexión de cadera vigorosa del lado amputado, el impulso

inicial flexionará demasiado la rodilla y provocará una excesiva elevación del talón.

El impacto al final de la oscilación se refiere al ruido de la pierna cuando alcanza

bruscamente su extensión completa durante el final de la oscilación, en ésta alteración la

pantorrilla protésica se detiene súbitamente con un golpe forzado cuando se extiende la

rodilla (Figura 14). Éste impacto esta motivado por una fricción insuficiente de la rodilla

artificial o por una excesiva tensión en el tirante de extensión. El paciente inseguro puede

mantener voluntariamente esta alteración porque el choque y el ruido del impacto le

informa de que la rodilla protésica esta completamente extendida y el apoyo es seguro.

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Fig.14. Impacto al final de la oscilación. Tomada de la Ref. [39]

La longitud de paso inadecuada se observa durante la fase de oscilación, en donde la

longitud del paso con la prótesis es diferente del pie sano (normalmente es la pierna

protésica la que hace un paso de mayor longitud). Está citación refleja el distinto peso y

control de los dos miembros. Salvo que las longitudes de paso o las secuencias sean

marcadamente diferentes, no hay que hacer nada para corregirlas. Si es insuficiente, el

paciente tiende a lanzar la prótesis hacia adelante una mayor distancia de la que ocurre en el

miembro sano.

Algunas de las causas de esta alteración son:

- La incomodidad en el encaje.

- Una retracción en flexión de la cadera del lado amputado.

- Una fricción insuficiente de la rodilla artificial.

La lordosis lumbar, se observa cuando existe un aumento de la convexidad lumbar en la

fase de apoyo sobre la prótesis (Figura 15). Algunas causas son:

- La contractura de la cadera durante la flexión.

- La pared anterior del encaje no brinda un apoyo suficiente.

- Alineación del encaje con flexión insuficiente.

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Fig.15. Lordosis lumbar. Tomada de la Ref. [39]

Una elevación desigual del talón hacia atrás, se presenta cuando el talón protésico se eleva

más que el talón sano. Sin embargo, también puede observarse lo contrario, es decir, que el

talón protésico se eleve menos que el sano (Figura 16). Esta alteración se presenta

comúnmente durante la primera parte de la fase de oscilación. Algunas causas asociadas a

ésta alteración son:

- Poca fricción en la rodilla protésica.

- Flexión demasiado fuerte del muñón.

- Fricción excesiva de la rodilla protésica.

Fig. 16. Elevación desigual del talón hacia atrás. Tomada de la Ref. [39]

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- Alteraciones en el plano frontal. En éste plano tienen lugar varias alteraciones típicas,

como son:

La abducción ocurre durante todo el ciclo de marcha. El paciente mantiene una anchura de

paso anormalmente amplia manteniendo la cadera del lado amputado abducida,

desplazando lateralmente la pelvis y efectuando una inclinación lateral del tronco. Aunque

la anchura del paso media del sujeto normal es de 5 cm, muchos amputados femorales

prefieren ampliar ligeramente la base de sustentación (de 5 a 10cm).

Algunas causas asociadas con ésta alteración son:

- Un encaje que produzca molestia en el peroné.

- Uso de una banda pélvica.

- Rodilla artificial colocada en valgo excesivo.

La inclinación lateral del tronco puede verse cuando el sujeto transfiere peso a la prótesis,

en el inicio de la fase de apoyo (Figura 17). Las mismas causas que producen abducción

producen inclinación lateral. Un factor importante para ésta alteración es la longitud de la

prótesis ya que si la prótesis es demasiado corta fuerza al amputado a inclinar el tronco

hacia el lado protésico y una prótesis demasiado larga obliga al sujeto a abducirla con la

consiguiente inclinación homolateral del tronco. Otras causas pueden ser:

- Apoyo insuficiente en la pared lateral del encaje.

- Encaje en abducción.

- Dolor o molestia en la cara lateral distal del muñón.

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Fig.17. Inclinación lateral del tronco. Tomada de la Ref. [39]

La circunducción es un movimiento tridimensional, se observa en la fase de oscilación, la

prótesis sigue un desplazamiento en forma de semicírculo (Figura 18). Algunas causas son:

- Longitud excesiva de la prótesis.

- Encaje inadaptado.

- Movimiento defectuoso de la rodilla.

Fig.18. Circunducción. Tomada de la Ref. [39]

La elevación sobre el antepié, consiste en una flexión plantar exagerada de miembro sano,

para facilitar la oscilación de la prótesis. El paciente se mueve excesivamente de arriba

abajo, mientras está caminando. Se eleva todo el cuerpo mediante un aumento de la flexión

plantar del pie sano. Esta alteración impone importantes demandas al tríceps sural, al elevar

todo el cuerpo. Algunas causas son:

- Longitud excesiva de la prótesis.

- Fricción insuficiente de la rodilla artificial.

- Suspensión inadecuada.

Alteraciones en el plano transversal. En éste plano pueden detectarse dos anomalías:

La rotación del pie en el momento de contacto de talón, a medida que el talón toca el suelo,

el pie gira lateralmente, a veces con un movimiento vibratorio (Figura 19). Esta alteración

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puede interferir con el equilibrio del paciente, ya que el pie protésico no flexiona

plantarmente en el instante oportuno. Este retraso permite a la fuerza de reacción

permanecer retrasada respecto a la rodilla, provocando un momento de flexión.

Algunas causas de ésta alteración son:

- Talón o un tope a la flexión plantar demasiado rígido.

- Cuña del talón o amortiguador del talón demasiado duro.

- Mal control del encaje por parte del muñón.

Fig.19. Rotación del pie en el momento de contacto de talón. Tomada de la Ref. [39]

El volteo de la prótesis, ocurre en el momento de despegue de talón e inmediatamente

después. La pierna debería moverse en la línea de progresión, sin embargo si el encaje no se

adapta bien o la articulación de la rodilla está mal 66rotada, la pierna y el pie oscilarán

internamente (volteo medial) o externamente (volteo lateral) en el final del apoyo.

Algunas posibles causas asociadas a esta alteración son las siguientes:

- Una articulación de la rodilla rotada internamente.

- Encaje muy ajustado o poco conformado.

- La articulación mecánica de los dedos no está colocada en ángulo recto con la línea

de progresión.

Luego de tener caracterizadas las alteraciones (plano de ejecución, nombre de la alteración,

valor normal, rango de normalidad, posibles causas) y haber construido la base de datos, se

tiene una estructura básica como la observada en la Tabla 3. Esta base de datos, unida a la

evaluación de normalidad desarrollada por la herramienta de software, dará como resultado

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un reporte de posibles rediseños de la prótesis evaluada. Esto se observara de forma más

clara en los capítulos posteriores.

TABLA 3. Ejemplo resumido de la estructuración básica de la base de datos.

Plano Alteración Fase Posible Causa Protésica Posible Causa Anatómica

Fallas de suspensión Fuerza de reacción se sitúa por delante de la rodilla

Talón protésico demasiado blando Artropatía de rodilla

Tacón excesivamente bajo Rodilla fusionada en extensión

Sagital Flexión insuficiente de la rodilla Apoyo Inicial

Pie alineado en flexión plantar Paciente con espasticidad

Encaje colocado en escasa flexión

Dolor en la zona antero-posterior del muñón

Flexión del encaje insuficiente. Cuádriceps débil.

Encaje colocado demasiado posterior.

Espasticidad de los extensores.

Existen algunas alteraciones de la marcha normal que se han propuesto en algunos estudios,

pero no se tiene en la mayoría de los casos un conocimiento de las posibles causas reales

asociadas a éstas, lo que las hace menos precisas y muy difíciles de solucionar.

La base de datos ha recopilado todas las alteraciones y causas asociadas disponibles en la

literatura consultada. Para un mejoramiento y retroalimentación de la misma, queda

disponible para realizar posteriormente complementos informativos tanto de nuevas

alteraciones de la marcha humana como de posibles causas relacionadas, con base en

estudios futuros en éste campo de la biomecánica y la rehabilitación.

Esta base de datos está asociada a un archivo en el cual se tiene un registro de valores

normales y de rangos de normalidad de los parámetros cinemáticos (ángulos articulares) y

cinéticos (fuerzas, momentos y potencias articulares) de la marcha humana normal contra el

que se comprarán los valores obtenidos en las diferentes evaluaciones de cada patrón de

marcha protésico estudiado.

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Los resultados de ésta comparación de valores (normales y protésicos), permitirá al usuario

evaluar la normalidad de las articulaciones a lo largo del Ciclo de Marcha, desde el punto

de vista cinemático y desde el punto de vista cinético (Figura 20).

Fig. 20. Registro de normalidad, alteraciones y causas.

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4. HERRAMIENTA DE SOFTWARE

La herramienta de software para la Evaluación Funcional de Prótesis de Miembro Inferior

fue diseñada y construida sobre el programa “Excel” de Office, (Figura 21), utilizando el

“Editor de Visual Basic For Aplication”, una de sus ayudas de programación.

Fig. 21. Página de inicio del programa.

Los requerimientos mínimos para poder correr de forma apropiada éste programa son:

- Windows 98/2000/XP.

- Office 98

- Sistema de Memoria de 32 MG.

- Disco duro con 40 MG de espacio libre

Es importante tener claro que la utilización de los resultados arrojados por ésta herramienta

quedan bajo la responsabilidad de las personas que los utilicen.

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La herramienta fue diseñada con el fin de eliminar algunas carencias y subjetividades que

se presentan en el reciente campo de investigación sobre la evaluación de marcha

protésica. Bajo éste planteamiento, se construyo una herramienta objetiva y cuantitativa

que apoyará los diagnósticos realizados por ortopedistas rehabilitadotes frente al patrón de

marcha desarrollado por pacientes protésicos y contribuir en la generación de nuevas

herramientas de diagnóstico sobre el desempeño funcional de los dispositivos protésicos.

Partiendo de unudio relacionado con las actividades desarrolladas por programas utilizados

para el análisis de patrones de marcha protésica en el medio, se observó que éstos

programas presentan algunas limitaciones a la hora de ofrecer al personal médico criterios

objetivos y cuantitativos. Por ejemplo: se puede hacer una valoración cinemática y cinética

relativamente cuantitativa para un sólo paciente por cada estudio de marcha, sólo se pueden

graficar y comparar las extremidades del paciente valorado y lo más importante, el

diagnóstico final que hace el médico sobre la marcha del paciente es subjetivo, depende de

la interpretación que el ortopedista a cargo pueda hacer.

Bajo tales circunstancias, se creó está herramienta que permite hacer una evaluación

objetiva, cuantitativa y cualitativa de parámetros dinámicos de la marcha protésica en

donde se puede evaluar claramente la funcionalidad biomecánica de las prótesis de

extremidad inferior durante el proceso de locomoción.

Para mayor claridad, y facilidad del manejo de variables en el espacio se ha escogido un

sistema espacial de referencia en el cual la dirección vertical es representada por el eje Y, la

dirección en la cual se desarrolla la progresión del paciente, por el eje X, y hacia los lados, por

el eje Z, (Figura 22).

En el ámbito anatómico como se mencionó en el primer capítulo se manejan tres planos

para dividir el cuerpo humano, estos son: el plano sagital, formado entre los ejes X y Y, el

plano frontal, formado entre los ejes Y y Z y finalmente el plano transversal, formado

entre los ejes X y Z.

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Fig. 22. Sistema espacial de referencia.

Como primer paso, se seleccionó el patrón de marcha de una persona normal, con base en

el registro de varias pruebas de marcha realizadas a diferentes personas con perfil de

normalidad en el laboratorio. La selección del patrón de normalidad que utilizará el

programa fue determinado por el Dr Camilo Turriago, ortopedista rehabilitador experto en

el tema y coordinador del Laboratorio de Análisis de Movimiento.

Los datos dinámicos del patrón de normalidad (posiciones, velocidades y aceleraciones de

los 16 marcadores, ángulos articulares (cinemática) y fuerzas, momentos y potencias

articulares (cinética), en los tres ejes espaciales (X, Y y Z)), fueron exportados del software

APAS System en un formato de texto (*txt) y posteriormente fueron importados,

procesados y establecidos dentro de la herramienta como una plantilla de normalidad.

La herramienta siempre toma estos datos como el patrón de marcha de una persona

normal, contra el cual comparará todos los demás patrones de marcha. También se fijaron

los eventos de interés del Ciclo de Marcha (Tabla 2), con el fin de puntualizar la evaluación

de los parámetros dinámicos de la marcha. Además de cambiar el formato de los datos

(*.txt a *.xls), se hace una normalización de estos al Ciclo de Marcha para poder realizar

comparaciones directas entre los datos de un paciente protésico y los del patrón de una

persona normal.

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Definidos los valores normales de parámetros cinemáticos y cinéticos, los rangos de

normalidad de estos parámetros, los eventos y los porcentajes críticos del ciclo de la

marcha humana se da comienzo al proceso de cargado de los nuevos datos dinámicos de

pruebas realizadas en pacientes con prótesis en sus extremidades inferiores.

Después de realizar las pruebas de marcha humana protésica en pacientes con nivel de

amputación “transfemoral”, se procede a exportar del software APAS System los datos

relacionados con los parámetros dinámicos (cinemáticos y cinéticos) de estos pacientes,

para posteriormente importarlos y procesarlos por la herramienta utilizando Excel.

Luego de cargar los datos del paciente protésico y tenido internamente todos los datos del

patrón de marcha normal, se procede a utilizar la herramienta para desarrollar el proceso de

evaluación funcional de la marcha protésica (Anexo 4).

La herramienta en su inicio ofrece diferentes opciones: evaluación de un paciente, registro

de de pacientes, adición de pacientes, etc, (para adicionar datos dinámicos de APAS al

programa para su posterior evaluación se debe diseñar posteriormente un método de captura

de nuevos datos), de éstas opciones se crean nuevas tareas (Anexo 4). Al seleccionar la

opción de evaluar un paciente, el software puede realizar el análisis tanto de los

marcadores, como de la parte cinemática y cinética de las articulaciones de las

extremidades inferiores.

De esta evaluación se pueden obtener los siguientes resultados:

- Generar gráficas de la posición, velocidad y aceleración de los 15 marcadores

implementados en las extremidades inferiores del paciente (extremidad sana y

extremidad protésica).

- Generar gráficas de parámetros cinemáticos (ángulos de pelvis, cadera, rodilla y

tobillo).

- Generar gráficas de parámetros cinéticos (fuerzas, momentos y potencias de cadera,

rodilla y tobillo).

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- Permite hacer una evaluación numérica de la posición, velocidad y aceleración de los

15 marcadores. Esta evaluación de normalidad se hace mediante la comparación

numérica entre los datos normales y los datos protésicos, lo cual da como resultado la

diferencia entre estos valores, que idealmente debería ser 0.

Permite hacer una evaluación numérica de normalidad de los parámetros cinemáticos

(ángulos de pelvis, cadera, rodilla y tobillo). Para realizar esta evaluación se toman los

valores normales, los valores protésicos y los valores máximos y mínimos del rango de

normalidad establecido previamente. Determinando matemáticamente si el valor del

paciente protésico está dentro del rango o banda de normalidad.

Esta evaluación de parámetros cinemáticos, correlacionada con la base de datos de las

alteraciones más comunes en la marcha protésica, hacen posible la generación de un

reporte en el cual se determinan para los porcentajes críticos del ciclo de marcha la

normalidad o anormalidad del movimiento de las articulaciones.

Al ser determinado un fenómeno de anormalidad, se presenta una serie de alteraciones

asociadas a dicho comportamiento y además proporciona al personal médico una

visualización de cuáles con las posibles causas protésicas y anatómicas asociadas a

cada alteración. Luego de que se tiene éste primer análisis biomecánico de la marcha del

paciente se llega a un diagnóstico final, del cual se hablará más adelante.

- También permite realizar una evaluación numérica de los parámetros cinéticos

(fuerzas, momentos y potencias de cadera, rodilla y tobillo). Esta evaluación toma

como referencia los valores normales de éstos parámetros, los compara contra los

valores obtenidos del patrón de marcha del paciente evaluado y da como resultado,

primero: un reconocimiento de los valores normales de estos parámetros y segundo:

proporciona la diferencia entre estos dos datos (normal y protésico).

Esta diferencia es de gran interés tanto para médicos, ortopedistas, fisioterapeutas,

ingenieros, etc., ya que determina numéricamente los excesos o carencias de fuerzas,

momentos o potencias articulares, con lo cual se pueden generar diferentes hipótesis

con el fin de mejorar de alguna forma las técnicas y tratamientos rehabilitadores.

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Las gráficas generadas por la herramienta permiten observar tanto la función que describe

el comportamiento de cada variable estudiada, como la función que representa el

comportamiento normal que debería tener dicha variable en los tres ejes (X, Y, y Z). Estas

funciones se grafican respecto al 100% del Ciclo de Marcha. De esta forma se puede tener

un primer acercamiento (evaluación cualitativa y /o semicuantitativa) del comportamiento

de la variable estudiada.

Es importante mencionar que el software, en sus módulos de análisis cinemático y cinético,

permite realizar diferentes análisis, según lo requiera el usuario. Por ejemplo: permite

analizar el comportamiento de la extremidad protetizada contra la misma extremidad del

patrón normal, o si lo prefiere, permite analizar del comportamiento de la pierna protetizada

contra la pierna contralateral (sana).

Las evaluaciones de marcadores, los análisis cinemáticos y cinéticos de las diferentes

articulaciones de las extremidades inferiores dan al personal experto unos criterios

objetivos de gran importancia a la hora de analizar, estudiar y valorar la marcha humana.

La herramienta luego de permitir la realización de diferentes estudios (cinemáticos y

cinéticos) y emitir evaluaciones parciales, emite un diagnóstico final en el cual presenta un

listado de las posibles causas protésicas que influyen con mayor repercusión en las

alteraciones que se presentan en la marcha del paciente y que deben ser tratadas para un

mejoramiento de la misma.

La generación de este reporte se hace mediante la utilización de los resultados extraídos de

la evaluación del análisis cinemático del paciente y la utilización de la información

almacenada en la base de datos. Al realizar este cruce de información, se obtiene un listado

de alteraciones experimentadas en la marcha del paciente y sus causas asociadas. Una vez

listadas las causas de estas alteraciones se procede a calcular el número de veces que se

repite cada una, se hace un listado en el que se organizan de mayor a menor repetitividad y

se genera el reporte de dicho conteo.

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5. PRUEBAS PRELIMINARES DE MARCHA PROTÉSICA

Se realizaron pruebas de marcha en dos pacientes con amputaciones transfemorales

(soldados victimas de minas antipersonales del Servicio de Prótesis y Amputados del

Hospital Militar Central), (Figura 23), siguiendo el protocolo de análisis de marcha del

Laboratorio de Análisis de Movimiento de la Universidad de Los Andes y del Instituto de

Ortopedia Infantil Roosevelt, que se describe a continuación.

Fig. 23. Pacientes estudiados.

El laboratorio cuenta con un pasillo, marcadores reflectivos (Anexo 1), 2 plataformas

dinamométricas, sistema de calibración, 5 cámaras de video digital, focos de alumbrado,

controladores, sistema de sincronización, computadores, software de análisis de

movimiento APAS System, y otros accesorios. Además cuenta con el apoyo de personal

médico (ortopedistas, fisioterapeutas, etc) y personal técnico especializado.

El protocolo comienza con la llegada del paciente amputado a las instalaciones del

laboratorio, el personal experto procede a hacer una evaluación clínica del paciente, de la

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cual se extraen datos de interés (edad, peso, estado funcional, etc), se realizan medidas

antropométricas (longitudes y diámetros de los segmentos de las extremidades inferiores),

Test Musculares, Test Articulares, Exámenes Ortopédicos, etc. Luego de éste primer

acercamiento, se hace una filmación inicial del paciente caminando por el pasillo, para

tener un registro del paciente antes de practicarle cualquier tratamiento o cirugía posterior.

Se colocan 15 marcadores pasivos de forma esférica con un sistema se sujeción al cuerpo o

a la ropa, en puntos estratégicos de las extremidades inferiores, (Figura 24), se colocan

asociados a un sistema de iluminación (luz visible), instalados juntos a las cámaras, de

forma que en la imagen se distingan claramente los marcadores del resto de la imagen.

Simultáneamente se utiliza un cubo como sistema de calibración o referencia (marco fijo de

referencia), que soporta unos marcadores fijos y de los que se conoce su posición.

Fig. 24. Marcadores colocados en el paciente. Tomada de la Ref.[35]

A continuación se hacen varios registros del paciente caminado a través del pasillo, para

realizar el análisis en 3D de la marcha del paciente, utilizando 5 cámaras de video, las

cuales funcionan a una velocidad de 60 imágenes/seg, localizadas a los lados y al frente del

pasillo, (Figura 25), para el análisis simultáneo de los miembros inferiores.

Luego de hacer los registros de la marcha del paciente se procede a hacer la captura de las 5

cámaras de video en un PC, después se pasa a una primera etapa de tratamiento de los

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datos, la digitalización semiautomática para obtener las coordenadas planas de la posición

que ocupa cada marcador dentro de cada imagen y cada cámara.

Fig. 25. Posición de cámaras y plataformas en el laboratorio. Tomada de la Ref.[39]

Se ingresan al software las medidas antropométricas del paciente y la especificación de

eventos por cuadro del ciclo de marcha (instantes de apoyo y despegue de las extremidades)

sobre las placas de fuerza instaladas en el pasillo, para que los cálculos y la reproducción

3D del patrón de marcha sean lo más reales posibles. Internamente se realizan los cálculos

y el tratamiento de los datos para obtener una visualización de resultados, (Figura 26).

Fig. 26. Marcación de eventos y reproducción en 3D de la marcha. Tomada de la Ref.[35]

El principal resultado que se obtiene luego de realizar un análisis computarizado de la

marcha es un “Reporte Laboratorio de Marcha”. Éste reporte presenta gráficas de

cinemática y cinética de la marcha del paciente estudiado, (Figura 27), las cuales se basan

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en los resultados del examen médico, ortopédico, neurológico, cinemático, cinético, cálculo

del índice de consumo de energía y registro de la escala funcional de la marcha. Se

completa con la interpretación y el análisis por parte de médicos especialistas en ortopedia.

Fig.27. Formato de resultados cinemáticos. Tomada de la Ref. [36]

Una vez realizada la prueba de análisis de marcha en el paciente, siguiendo con el protocolo

descrito anteriormente, se procede a exportar los datos cinemáticos y cinéticos del módulo

Gait del software APAS System. Estos datos ayudaran a describir y caracterizar la

evolución del patrón de marcha del paciente.

5.1. EJEMPLO DE VALIDACIÓN

Con el fin de presentar un ejemplo de cómo usar el programa para validar el software como

una herramienta que permite evaluar cualitativamente el patrón de marcha de una persona

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protésica, y que a su vez, es capaz de generar posibles diagnósticos de rediseños en

prótesis, se representa a continuación el proceso de evaluación y diagnostico realizado con

la herramienta de software, utilizando los datos dinámicos de una de las pruebas de marcha

realizada a un paciente protésico y se hace paralelamente la comparación de estos

resultados de la herramienta contra los resultados obtenidos de la interpretación realizada

por el Dr. Camilo Turriago, al mismo paciente (Anexo 2).

Una vez cargados los datos dinámicos del Paciente 1, se procede a hacer uso del programa

para evaluar el patrón de marcha de este paciente. Al tener acceso a la herramienta se pude

seleccionar del menú inicial, la opción de evaluar paciente, de la cual se desprende un

submenú, en el cual se puede evaluar tanto el comportamiento espacial de los marcadores,

como el comportamiento cinemático y cinético de las articulaciones de las extremidades

inferiores.

Para el caso del análisis de marcadores, se selecciona el nombre del Paciente 1 y el nombre

el marcador que desea estudiar (5. R. Femoral), teniendo como resultado, la generación de

tres filas de graficas (posición, velocidad y aceleración en los tres ejes X, Y y Z a lo largo

del 100% del Ciclo de Marcha) que representan la trayectoria de este marcador (líneas de

color fucsia). En las mismas gráficas se observa la trayectoria del mismo marcador pero en

una persona normal (líneas de color azul) (Figura 28).

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Fig. 28. Formato minimizado de resultados gráficos del análisis de marcadores.

Como es notorio a simple vista se observa una variación entre las trayectorias del paciente

protésico contra el paciente normal. Pero esta conclusión es el resultado de un primer

análisis cualitativo, el cual se puede complementar mediante la realización de una

evaluación numérica en la cual se calcule de forma matemática cuanto diverge una de la

otra. Para tal actividad, se debe seleccionar la opción de evaluar en el mismo menú de

análisis de marcadores y se obtiene una serie de tablas que corresponde a la evaluación de

cada una de las graficas observadas anteriormente (Figura 29). Esta evaluación se realiza en

puntos críticos del ciclo de marcha (definidos en capítulos anteriores).

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Fig. 29. Formato minimizado de resultados de la evaluación numérica del análisis de

marcadores.

La observación de las graficas y los resultados numéricos de la evaluación dan al usuario

criterios más objetivos para decir que tanto y en que cantidad difiere la trayectoria de cada

marcador del paciente protésico con respecto al mismo marcador de una persona normal.

Por ejemplo, si se observa la posición del marcador 5 R. Femoral en el plano Y, en el 75 %

del Ciclo de la Marcha, a simple vista se puede decir que esta por encima aproximadamente

11mm, pero si se observan los valores de las dos funciones en éste porcentaje en las tablas

de evaluación de la herramienta se puede observar que la diferencia real de estas dos

funciones es de 9.402mm.

Estos resultados ya dan un indicio de que la marcha del paciente protésico difiere de la

marcha de un paciente normal. Ahora si se observan los resultados del análisis cinético, se

pueden observar otros resultados interesantes.

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Un punto crítico en donde se puede observar la variación de las fuerzas, momentos y

potencias articulares es en la articulación del tobillo, en donde se experimentan

inicialmente las fuerzas de acción y reacción que ejerce el suelo sobre las extremidades

inferiores.

Para llegar a las gráficas del análisis de fuerzas en esta articulación se debe seguir la

siguiente ruta: ir al menú de análisis de marcha, del cual debe seleccionar análisis cinético/

selección del paciente y del análisis de fuerzas /selección de la articulación (tobillo)/

Aceptar. Una vez desarrollada esta rutina se tiene acceso tanto a las gráficas de fuerza en

esta articulación (para las dos extremidades) (Figura 30), como las tablas de evaluación

asociadas a estas graficas (Figura 31).

Fig. 30. Graficas minimizadas de los resultados de fuerzas en el tobillo.

Fig. 31. Tablas minimizadas de la evaluación de fuerzas en el tobillo.

De las graficas anteriores se puede observar como el tobillo derecho en el eje Y del

paciente protésico experimenta unas fuerzas superiores a las de una persona normal.

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Observando la gráfica del tobillo en el eje Y se pueden observar varios puntos máximos de

fuerza a lo largo del ciclo de marcha, uno de estos es en el 10% del Ciclo de Marcha, donde

se observa una notoria diferencia entre el valor normal y el protésico. A simple vista esta

diferencia puede ser de aproximadamente 25 N, si se observa la tabla de evaluación se

puede obtener el valor real de esta diferencia, 29.28 N.

Como se puede observar, la diferencia entre el valor que se puede obtener a simple vista de

una grafica puede divergir considerablemente del valor real, lo cual puede dar información

errónea al médico, con lo que se puede llegar a emitir un diagnóstico posiblemente

equivocado o en el peor de los casos, realizar una modificación no apropiada de la prótesis.

Un ejemplo más concreto de la validez de la herramienta, se puede observar al comparar el

siguiente segmento de la interpretación del Dr. Camilo Turriago respecto al paciente: “Los

momentos de fuerza del cuello de pie derecho son básicamente normales, en el miembro

inferior izquierdo en el momento de fuerza de la prótesis hay un momento plantiflexor

adecuado durante la respuesta a la carga”. Según lo observado en Figura 32, generada por

la herramienta para representar el momento del tobillo derecho, se pude observar que las

funciones son semejantes (normales), aunque varían en su amplitud. Como se observa el

resultado de la herramienta coincide con el diagnóstico del doctor.

Tobillo Derecha - X

-0,3-0,25

-0,2-0,15

-0,1-0,05

00,050,1

0,150,2

0% 20% 40% 60% 80% 100%

% C.M.

N-m

m

Normal Protesico

Fig. 32. Momento de fuerza del tobillo derecho.

Finalmente al realizar el análisis cinemático articular del paciente se pueden observar otros

datos de interés para el personal médico, ortopédico, y rehabilitador, ya que se puede

analizar por separado las gráficas cinemáticas de las articulaciones de las extremidades

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inferiores (Figura 33), además se puede realizar la evaluación numérica de la normalidad de

la cinemática de cada articulación en los puntos críticos del Ciclo de Marcha (Figura 34).

Fig. 33. Formato gráfico de la cinemática de la cadera.

Fig. 34. Formato de la evaluación de normalidad cinemática de la cadera.

Como se puede observar, las variaciones en la articulación de la cadera en los tres ejes,

tanto en la extremidad sana como en la protésica son bastante notorias, lo cual se puede

corroborar con los datos arrojados por la evaluación de normalidad de la cinemática.

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Si se observan los valores que toman las caderas en los tres ejes a lo largo del 100% del

Ciclo de Marcha, se observa una fuerte variación, lo cual como es esperado en la

evaluación de normalidad, da como resultado una cinemática anormal. Adicional a éste

primer diagnóstico se plantean algunas alteraciones asociadas a estas variaciones, algunas

de estas son: Una inclinación lateral del tronco, que como se describió en el tercer capítulo

puede ser originada por una prótesis demasiado larga, por que los músculos abductores del

muñón estén contracturados, por que la pantorrila este alineada en valgo, etc y un efecto de

circunducción, originado por una flexión excesiva, una mala suspensión, etc.

Otro ejemplo comparativo de los resultados de la herramienta contra la interpretación del

médico ortopedista se presenta a continuación: Según el diagnóstico médico: “La rodilla

izquierda presenta extensión exagerada durante el contacto inicial hasta el prebalanceo”,

éste mismo resultado sobre el movimiento de extensión exagerada de la rodilla izquierda se

puede observar en la gráfica de movimiento angular de la rodilla izquierda (Figura 35),

generada por la herramienta en el cual se evidencia una extensión mayor a la normal.

Fig. 35. Movimiento exagerado de la rodilla izquierda.

El usuario de la herramienta puede realizar esta evaluación de normalidad de la cinemática

de cada articulación para tener un conocimiento completo de cada articulación y de las

extremidades en general. A cada articulación se le puede analizar la normalidad de la

misma y si es el caso de anormalidad, las alteraciones presentadas en el Ciclo de Marcha y

las posibles causas protésicas y a anatómicas asociadas a las mismas.

Rodilla Izquierda -

-20

-100

1020

30

4050

60

0% 20% 40% 60% 80% 100% 120%

% C.M.

Gra

dos

Normal Protesico

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Una vez realizado el estudio y evaluación de las articulaciones de las articulaciones de las

extremidades inferiores, se puede tener acceso a un reporte final en el cual se presentan las

causas protésicas más importantes durante el ejecución de la locomoción. Este reporte

muestra un listado con las principales causas de alteraciones y el número de veces que se

presento dicha alteración durante el Ciclo de Marcha (Figura 36).

Fig.36. Segmento del reporte de posibles rediseños en las prótesis.

Los diferentes resultados obtenidos con la herramienta dan al personal médico más criterios

objetivos a la hora de hacer la interpretación de la evolución de la marcha del paciente, en

el momento de asociar alguna variación en el ciclo de marcha a un tipo de alteración

particular, al relacionar una alteración a unas posibles causas protésicas y anatómicas que

las genera, en el momento de formular rediseños en los dispositivos protésicos y en el

momento de planear cirugías múltiples.

Al estudiar detenidamente el ejemplo de evaluación de la dinámica del paciente protésico

presentado anteriormente y los resultados suministrados por el diagnóstico médico del

mismo paciente, se puede observar una similitud de interpretaciones, lo cual apunta a

proponer que la herramienta ofrece resultados confiables.

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Algo que es interesante mencionar, es que a través de las evaluaciones de la marcha del

paciente, se ha podido comprobar la teoría sobre el “fenómeno de compensación”, que para

éste caso se da en el miembro inferior derecho que altera su desempeño biomecánico en

forma compensatoria para adaptarse a la prótesis del miembro inferior izquierdo.

Gracias a estos avances en los métodos de evaluación de la marcha humana, los

diagnósticos son más precisos, se pueden programar cirugías múltiples que minimizan el

número de intervenciones realizadas a los pacientes amputados y garantiza de alguna forma

la reducción en el tiempo de recuperación y un mejoramiento en las técnicas de

rehabilitación.

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6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

• Se logró el desarrolló de una herramienta de software, que permite hacer una evaluación

funcional comparativa de la marcha protésica (patrón de marcha normal vs patrón de

marcha protésico de diferentes pacientes, comportamiento de la pierna protetizada

contra la pierna contralateral (sana) y/o comportamiento de la extremidad protetizada

contra la misma extremidad del patrón normal.). Con la realización de una sola prueba

de marcha se puede obtener una caracterización de la dinámica (cinemática y cinética)

de la marcha humana protésica, lo cual facilita el proceso de interpretación y

diagnóstico médico sobre el proceso de locomoción.

• La herramienta genera un diagnóstico de normalidad cinemática en el cual se listan las

alteraciones que se presentan en el patrón de marcha estudiado y formula cuales con las

posibles causas protésicas y anatómicas asociadas con dichas alteraciones. La

herramienta genera un reporte en el cual se presentan los posibles rediseños que se

deberían realizar en los dispositivos protésicos con el fin de mejorar la funcionalidad

del mecanismo protésico evaluado.

• La creación de la base de datos de las alteraciones más comunes en la marcha de

pacientes protésicos, es de gran importancia para el análisis de las variaciones

funcionales que se presentan en la dinámica de la marcha, estudiando sus posibles

causas y realizando una retroalimentación de esta información mediante el desarrollo de

nuevos estudios y diagnósticos de personal experto en el tema.

• Se realizó una validación preliminar de la herramienta mediante la comparación de los

resultados generados por la herramienta y la interpretación médica realizada por el Dr.

Camilo Turriago.

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• Mediante la evaluación (cualitativa y cuantitativa) desarrollada a través de la

herramienta, se plantea la posibilidad de reducción del tiempo empleado por personal

experto en hospitales y clínicas ortopédicas para poner a punto las prótesis antes de ser

entregadas definitivamente a los pacientes.

Algunos trabajos a futuro son:

• El desarrollo de este proyecto, además de ser pionero en el medio, da como resultado la

posibilidad de generar nuevos y variados proyectos relacionados con el mejoramiento

de la biomecánica de la marcha humana protésica.

• Para posteriores estudios sobre la marcha humana se puede hacer uso intensivo de esta

herramienta, teniendo en cuenta que se van a obtener resultados cualitativos y

cuantitativos que son de gran utilidad en la realización de estudios específicos.

• Validación de la herramienta como un instrumento de diagnóstico efectivo de rediseños

en dispositivos protésicos. Comprobar que al realizar las modificaciones propuestas por

la herramienta se obtiene un mejoramiento funcional de la marcha en corto tiempo.

• Caracterizar el fenómeno de compensación de las extremidades inferiores al perder una

extremidad.

• Dada la estructura y fácil utilización de la herramienta, se deja abierta la posibilidad de

realizar evaluaciones de otros tipos de pacientes: normales, deportistas de alto

rendimiento, con ortésis, con problemas locomotores, con algún tipo de parálisis

cerebral, etc.

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MIM-2004-I-09

ANEXO 1

SET DE MARCADORES

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SET DE MARCADORES

En la actualidad existen centenares de sets de marcadores, pero para el caso del Laboratorio de

Análisis de Movimiento, se parte de que los ordenadores del laboratorio tienen instalado el

software APAS System, éste cuenta con soporte para 5 sets, siendo estos sets de marcadores

los más utilizados a nivel mundial para la estudio de la marcha humana. Estos son:

1. Set Helen Hayes Original (HHo).

2. Ser Helen Hayes Modificado (HHm)

3. Set Kit Vaughan Original (KVo)

4. Set Kit Vaughan Modificado (KVm)

5. Sun’s Marker Set (S)

Una descripción detallada del número de marcadores y su respectiva ubicación dentro del

cuerpo humano puede ser encontrada en la referencia [35]. La ubicación del set de marcadores

utilizado comúnmente en el laboratorio se aprecia en la siguiente figura.

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ANEXO 2

INTERPRETACIÓN MÉDICA DE PACIENTES

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ANEXO 3

Árbol Metodológico del Programa

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Árbol Metodológico del Programa

MIM-2004-I-09

ANEXO 4

MANUAL DEL USUSARIO

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MANUAL DEL USUSARIO

1. INTRODUCCIÓN

2. REQUERIMIENTOS TÉCNICOS

3. DATOS DINÁMICOS

4. INICIO

5. MÓDULO DE ANÁLISIS DE MARCADORES

6. MÓDULO DE ANÁLISIS CINEMÁTICO

7. MÓDULO DE ANÁLISIS CINÉTICO

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1. INTRODUCCIÓN

En este manual del usuario se presenta una guía de cómo utilizar la herramienta. Se expone

detalladamente cómo es el manejo de cada uno de los módulos (análisis de marcadores,

análisis cinemático y análisis cinético) que conforman la herramienta, con el fin de que el

usuario tenga una herramienta de ayuda que le permita utilizar de forma apropiada el

programa y pueda realizar los procedimientos para los que ésta fue diseñada..

2. REQUERIMIENTOS TÉCNICOS

Los requerimientos técnicos necesarios para correr este programa son:

- Windows 98/2000/XP.

- Office 97/2000/XP.

- Sistema de Memoria de 32 MB.

- Disco duro con 20 MB de espacio libre.

3. DATOS DINÁMICOS

Los datos dinámicos suministrados al programa son los valores correspondientes a la

cinemática y la cinética de la marcha del paciente estudiado. Estos datos son exportados en

formato *.txt., del módulo Gait del software APAS System instalado en el PC principal del

Laboratorio de Análisis de Movimiento.

Dentro de los datos que se deben extraer del software se encuentran:

- Posición, velocidad y aceleración en X, Y y Z de cada uno de los 15 marcadores pasivos

implementados en las extremidades inferiores del paciente. Estos datos se obtienen

cuadro a cuadro del registro del ciclo de marcha.

- Ángulo de pelvis, cadera derecha, cadera izquierda, rodilla derecha, rodilla izquierda,

tobillo derecho y tobillo izquierdo en los ejes X, Y y Z, cuadro a cuadro del 100% C. M.

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- Fuerzas, momentos y potencias de cadera, rodilla y tobillo, tanto izquierdas como

derechas, en los tres ejes X, Y y Z, cuadro a cuadro del registro de los instantes de

tiempo en los que el paciente está en contacto con las plataformas dinamométricas.

4. INICIO

Para dar inicio al programa se debe hacer un tratamiento previo a los datos obtenidos de

APAS, ya que el formato (*.txt) en el que éste software los proporciona no son

directamente manipulables por Excel. Desde Excel se deben cargar y transformar los datos

de origen, asándolos a un formato de *.xls y se debe normalizar el número de cuadros por

unidad de tiempo que se digitalizaron inicialmente para que todos los datos queden en

función de un porcentaje del ciclo de marcha y no de un número de cuadros.

Una vez capturados los datos del paciente por el programa se da inicio a la evaluación

funcional de los pacientes profetizados. El árbol de funciones del programa se observa en el

Anexo 3.

Se tiene una pantalla de presentación del programa, (Figura 1.), sobre la cual hay que

seleccionar la entrada sobre el escudo, para poder acceder a la herramienta.

Fig. 1. Acceso a la herramienta.

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Una vez que se ha accedido a la herramienta, se presenta un cuadro de dialogo, (Figura 2.),

en la cual se presentan dos opciones: evaluar un paciente o adicionar otro al registro.

Fig. 2. Tipo de actividad inicial a desarrollar.

Si se decide adicionar un paciente al registro, se generará otra ventana en la cual se

introducen algunos datos básicos del paciente para generar un registro de pacientes

evaluados, (Figura 3).

Fig.3. Registro de pacientes.

Luego de ingresar los datos del nuevo paciente, se genera automáticamente una ventana,

(Figura 4.), la cual le avisa que se acaba de adicionar otro paciente, seleccionar continuar

para continuar con las diferentes actividades restantes.

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Fig. 4. Confirmación de adición de paciente.

Si por el contrario se seleccionó la opción de “Evaluar Paciente”, aparecerá una ventana en

la cual se presentan los tres módulos de la herramienta (Figura 5.) (Análisis de Marcadores,

Análisis Cinemático y Análisis Cinético), los cuales se describirán a continuación:

Fig. 5. Módulos de análisis de la herramienta.

5. MÓDULO DE ANÁLISIS DE MARCADORES

Al seleccionar la opción del “Análisis de Marcadores” en la ventana de Análisis de Marcha,

se procede a la selección de paciente a evaluar y el marcador que se quiere analizar (existen

15 marcadores implementados en el paciente, ver Anexo 1), (Figura 6). Al ingresar estos

dos parámetros, se da origen inmediatamente a la generación de 6 gráficas que describen el

comportamiento (posición, velocidad y aceleración) del marcador seleccionado en los ejes

X, Y y Z, a lo largo del 100% del ciclo de marcha, (Figura 7.), a la vez que se observa en la

misma gráfica el comportamiento del mismo marcador para un paciente normal.

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Fig.6. Selección del paciente y el marcador de interés.

Fig. 7. Ejemplo de las gráficas generadas para los marcadores.

Finalmente, si se requiere hacer un estudio más profundo de estos marcadores, la

herramienta permite generar un reporte de la evaluación numérica de las 6 gráficas

generadas anteriormente, producido mediante la realización de cálculos internos. Para tener

acceso a este reporte se selecciona la opción “Evaluar” de la ventana. En esta evaluación, se

presenta en forma numérica el comportamiento espacial del marcador seleccionado en cada

uno de los porcentajes críticos del ciclo de marcha, tanto para el paciente protésico como

para el paciente normal y la diferencia entre estos dos, (Figura 8.), con el fin de evitar lo

engorroso y lo subjetivo que resulta estimar en la gráfica los valores de cada porcentaje,

según sea el interés del observador.

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Fig. 8. Evaluación de normalidad de los marcadores.

Para volver a la ventana de Análisis de Marchas sólo hay que seleccionar en el botón volver

e inmediatamente se estará en esta ventana, para si es necesario continuar con otro tipo de

análisis o para salir del programa, según lo desee el usuario.

6. MÓDULO DE ANÁLISIS CINEMÁTICO

Para acceder a éste módulo, basta con seleccionar en la ventana de Análisis de Marcha,

sobre la opción de dicho análisis. Inmediatamente, aparece una nueva ventana en la cual se

debe seleccionar el paciente a evaluar y la articulación que se desea analizar, (Figura 9).

Fig. 9. Selección del paciente y la articulación de interés.

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Una vez ingresados los datos que se desean analizar, se selecciona el botón “Aceptar” e

inmediatamente se generan dos filas de gráficas. En la primera fila se presentan las gráficas

de movimientos angulares en los tres ejes X (Flexión-Extensión), y (Varo-Valgo) y Z

(Rotación Interna-Rotación externa) de la rodilla derecha del paciente protetizado y de la

rodilla derecha normal. Adicionalmente, en la segunda columna, se grafican los mismos

movimientos angulares pero para la extremidad contralateral del paciente protésico y del

paciente normal, (Figura 10).

Fig. 10. Ejemplo de gráficas de la cinemática articular (rodilla)

Una vez analizadas gráficamente las principales articulaciones de las extremidades

inferiores (pelvis, cadera, rodilla y todillo). Si se desea, se puede realizar una evaluación de

la normalidad de estos movimientos angulares, para lo cual, en la ventana de “Análisis

Cinemático” se selecciona el botón de evaluar, con lo cual se genera automáticamente un

reporte de normalidad de cada una de las articulaciones. Adicional al reporte de normalidad

se presentan en algunos casos las alteraciones a las cuales corresponde dicha anormalidad y

adicionalmente se pueden encontrar las causas protésicas y anatómicas asociadas a dichas

alteraciones, (Figura 11).

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Fig.11. Ejemplo de una sección del reporte de normalidad.

Luego de haber analizado detalladamente este reporte de normalidad, de identificar como

se encuentra cada articulación, desde el punto de vista cinemático a lo largo del ciclo de

marcha y en particular en los porcentajes críticos del mismo. Luego de observar cuales son

las alteraciones y las causas protésicas y anatómicas asociadas a dichas alteraciones que se

presentan según las anormalidades de las extremidades inferiores.

En la pantalla del reporte de normalidad, se pude optar por ir al inicio del programa,

seleccionando la opción “Regresar” y realizar otra serie de análisis o se puede optar por

generar un reporte final sobre las posibles causas protésicas que tienen mayor repercusión

en el patrón de marcha anormal desarrollado por el paciente protésico, luego se selecciona

“Análisis”, según sea el interés del usuario.

Si la opción seleccionada por el usuario es la de realizar el análisis de las alteraciones y las

causas asociadas a las alteraciones del patrón de marcha normal, se tiene como resultado un

reporte con las diferentes alteraciones presentadas en la marcha protésica del paciente y

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paralelo a estas alteraciones se encontrará el número de veces que se presenta en el ciclo de

marcha, presentando al usuario un listado de mayor a menor, (Figura 12).

Fig. 12. Ejemplo de una sección del reporte final

7. MÓDULO DE ANÁLISIS CINÉTICO

Para acceder al último módulo, “Análisis Cinético” de la marcha humana protésica en este

caso, se debe seleccionar en ésta opción en la ventana de Análisis de Marcha, de la cual se

genera inmediatamente una nueva ventana en la cual se debe seleccionar el paciente a

estudiar y el tipo de análisis que se quiera realizar, (Figura 13).

En éste módulo de puede tener acceso a tres tipos de análisis cinéticos de las articulaciones

de las extremidades inferiores, estos son: Análisis de Fuerzas, Análisis de Momentos y

Análisis de Potencias, los cuales se expondrán a continuación.

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Fig.13. Selección de paciente y de análisis cinético.

Si de la ventana anterior se selecciona la opción de Análisis de Fuerzas y se selecciona

“Aceptar”, se generará una nueva ventana, (Figura 14), en la cual se selecciona la

articulación a analizar.

Fig.14. Selección de la articulación a análizar.

Luego de seleccionar la articulación, seleccionar “Aceptar”, para que se puedan generar las

gráficas de la fuerza soportada por la articulación seleccionada en los tres planos

anatómicos del cuerpo. Al igual que en el módulo cinemático, las gráficas se presentan en

dos filas, en una de ellas se gráfica la extremidad derecha del paciente protésico y del

normal y en su segunda columna se grafican las extremidades contralaterales, (Figura15).

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Fig. 15. Ejemplo de las gráficas de fuerzas articulares (cadera).

El mismo procedimiento desarrollado para el análisis de fuerzas articulares de desarrolla

para los análisis de momentos y potencias articulares, lo único que varía es la selección en

la ventana de “Análisis Cinético”.

Luego de generar cada una de las gráficas en cada tipo de análisis, se puede obtener un

formato de evaluación similar al generado en los módulos anteriores. Según el tipo de

análisis que se halla desarrollado se obtendrá un formato de evaluación del tipo análisis

seleccionado. Por ejemplo si se realiza un análisis de potencia de un paciente determinado,

al seleccionar la opción “Evaluar” en la ventana de Análisis de Potencia, se desplegará una

ventana en la cual aparecerá un formato que presentará la potencia articular de la cadera, la

rodilla y el tobillo, tanto para la extremidad derecha, como para la extremidad izquierda en

los tres planos anatómicos. En esta evaluación, se toma el valor normal de cada parámetro,

menos el valor del paciente protésico y el programa internamente calcula la diferencia entre

estos dos valores y genera los resultados de dicha diferencia en cada reporte, (Figura 16).

Si luego de obtener el reporte de uno de los tipos de evaluación cinética, se desea regresar

al inicio del programa, se puede seleccionar en la parte superior del reporte, la opción

“Regresar”, y automáticamente estará en el inicio del programa.

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Fig. 16. Ejemplo de una sección del reporte de evaluación de potencia articular

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