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Biomecánica de la columna vertebral y Locomoción humana (Spine biomechanics and human locomotion)

Pablo D.Bordoli Departamento de Biomecánica y Ergonomía Esc.de Klgía y Ftría. (U.B.A.) Maipú 388 2 "E" - (1006) - Bs.As. - Argentina Introducción

Resumen.

Generalidades

La evolución de las especies depende del uso de la energía disponible y su adaptación a una ecología específica. Debemos mirar el diseño del raquis en términos energéticos: discernir cómo influyen sus estructuras para soportar el peso corporal durante la locomoción.

Principios de locomoción Bipedia

Palabras clave. Dolor lumbar - Biomecánica del raquis - ergonomía - Marcha Humana.

Nueva teoría de la locomoción Ritmo lumbopélvico Sistema de soporte del cargas raquis La marcha humana

Introducción

El DOLOR LUMBAR es una de las causas de mayor incapacidad. Es uno de los factores más importantes de ausentismo laboral en individuos menores de 45 años, y uno de los tres primeros en mayores de 45 años. Se estima que dos de cada tres personas presentan dolor lumbar en algún momento de su vida, entre los 20 y los 50 años. Casi siempre esos dolores se relacionan con la ocupación, reduciendo notoriamente la capacidad laboral. Su prevención y tratamiento es primordial para el desarrollo industrial. En la actualidad el gasto en prevención es nulo en la mayoría de los establecimientos laborales. Se calcula que en el futuro, el volumen creciente de problemas lumbares sumado a los altos costos de su tratamiento, hará que las instituciones y los gobiernos tomen medidas al respecto. La importancia para su diagnóstico y tratamiento es descubrir la causa mecánica del trastorno: compresión axial o rotación. El siguiente trabajo pretende profundizar los fundamentos mecánicos de esa causa, que radica en el análisis correcto de una de las actividades para las que fue diseñado el raquis: la marcha humana.

Generalidades

Si la evolución de las especies depende del buen uso de la energía disponible y su adaptación a una ecología específica; debemos mirar el diseño del raquis (con sus curvas fisiológicas) en términos energéticos y discernir cómo influyen sus diferentes estructuras para soportar el peso corporal, mientras se realiza la actividad más importante para la que fue diseñada: LOCOMOCIÓN.

Las curvas lordóticas y cifóticas, la presencia de un disco intervertebral, un par de articulaciones sinoviales y gran cantidad de ligamentos son los componentes de esta cadena cinemática, cuya óptima interacción disminuye el consumo energético en la postura bípeda y la locomoción.

La BIOMECÁNICA es la ciencia que vincula a la energía con la anatomía funcional, estudiando su eficiencia, eficacia y efectividad. Un EFICIENTE GASTO ENERGÉTICO es el criterio absoluto de supervivencia y evolución a través de la Selección Natural. Si un sistema debe ser óptimo debe estar formado por subsistemas óptimos interconectados.

Principios de locomoción

El hombre es el último escalón evolutivo. Su columna vertebral presenta diferencias de forma y número mínimas con los demás animales vertebrados. Todos ellos sufren las mismas fuerzas, ya que habitan el mismo planeta, lo que varía es el clima, el tamaño del animal y la disposición de la columna vertebral ante la aceleración gravitatoria. El primitivo vertebrado se trasladaba en un plano horizontal (actuales cocodrilos, tortugas, serpientes, etc.): a expensas de una ondulación lateral acompañada del movimiento rítmico de los miembros. Estos, luego pasan, de una situación lateral, a colocarse por debajo del tronco, para soportar directamente el peso corporal. Sus raquis presentan una gran cifosis. Mantenerse de pie les significa un elevado costo energético ante la imposibilidad de trabar las articulaciones de sus miembros. Como se mantienen en semiflexión requieren actividad muscular permanente y alto consumo de energía. Entonces øcuál es su ventaja? La locomoción. Como su centro de gravedad está situado cerca del suelo y por delante de los miembros posteriores, aprovechan casi toda la fuerza de reacción del piso en avanzar. Pero el diseño de su raquis les proporciona otra ventaja: la posibilidad de trasladarse en el plano sagital. Los movimientos de extensión y flexión (galope) de la columna les proporciona la velocidad necesaria para alcanzar su presa o huir de los depredadores. Los antiguos peces mantienen la locomoción horizontal (para la que presentan una aleta posterior vertical). Los peces que descienden de mamíferos, o sea, que han evolucionado en tierra y han vuelto al agua, adoptan la locomoción sagital (con una aleta horizontal). Cuadrupedia ¿Cómo puede aumentar la velocidad un cuadrúpedo? ¿Aumentando las inclinaciones laterales? ¿Aumentando las contracciones musculares? La pelvis puede girar alrededor de un eje horizontal La columna vertebral puede hacer flexión-extensión en un plano sagital. El galope permite un paso más largo (disminuye la fricción sobre el piso) y disminuye la frecuencia de contracción-relajación. El centro de gravedad, al colocar las patas bajo el cuerpo, se eleva, lo que aumenta levemente el gasto de energía, pero la disminución de contracciones musculares, con el menor rozamiento y la ganancia de energía potencial, disminuye la energía total.

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Desde los reptiles como el cocodrilo, las especies evolucionaron de dos maneras hacia la bipedia: 1. El cuerpo del animal se ubica por delante de los miembros inferiores. La pelvis desarrolla un ISQUIÓN LARGO para que favorezca el balanceo cuerpo-cola sobre las caderas (pájaros). 2. La habilidad para extender el raquis lleva el potencial de cargar el centro de gravedad del cuerpo sobre las caderas y cerca de ellas, con la finalidad de disminuir el brazo de resistencia. La pelvis desarrolla un ISQUIÓN PEQUEÑO con grandes fosas ilíacas para aumentar la superficie de inserción de glúteos, abdominales e ilíacos.

Origen de la locomoción bípeda Al salir de la vida acuática el primer problema a resolver, como ya hemos visto, es disminuir el efecto de la fricción del cuerpo contra el suelo. Principalmente por lo costoso que es iniciar la marcha en esas condiciones hasta alcanzar cierta inercia dinámica que permita ahorrar algo de energía. Un cuadrúpedo como el cocodrilo gasta mucha energía por la fricción de su vientre y porque su largo y recto raquis se debe dirigir alternativamente a un lado y al otro, compensado por el movimiento de las cinturas anterior y posterior en sentido opuesto. Cuanto más larga es la columna y más angosta la pelvis, menos se mueve el centro de gravedad lateralmente y se gasta menos energía. Si el raquis es muy largo, aumenta el brazo de palanca, por lo tanto el diseño para contrarrestar esa desventaja consiste en un raquis polisegmentado y músculos cortos que actúan en cada segmento cinético vertebral con gran coordinación. Para avanzar necesitan moverse alternativamente con inclinaciones laterales (por ejemplo la serpiente), factor HEREDADO por TODOS los cuadrúpedos y bípedos.

Nueva teoría de la locomoción bípeda

A partir de lo visto hasta ahora podemos pensar que en un BÍPEDO: La ENERGÍA PARA CAMINAR la provee la alternación de incurvaciones laterales del raquis. ● ●

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El miembro inferior que sostiene el cuerpo hace de PIVOT del mismo y soporta el peso corporal. La necesidad de extender los miembros inferiores en cada FASE DE DESPEGUE representa una ENERGÍA ADICIONAL para la marcha. La distancia a cubrir con una oscilación (zancada) está determinada por el ancho de la pelvis y el arco de círculo que puede realizar sobre una de las caderas (tener en cuenta rigidez articular y elongación muscular).

Un bípedo al caminar gasta energía al iniciar la marcha y para controlar cada movimiento. En el RAQUIS ocurren simultáneamente los tres movimientos, donde el más importante es la rotación (recordar que se efectúa en un plano horizontal y casi no influye la gravedad). El bípedo usa el campo gravitatorio en el que se mueve: transforma energía potencial en cinética (gracias a que posee un centro de gravedad alto) su peso es una acción que provoca una reacción del piso que facilita el apoyo de pivot de los miembros inferiores. ¿Qué músculos intervienen para controlar los movimientos y los excesos de energía de tensión almacenada? ¿Cuándo? Cuando se sobrecarga una articulación puede sufrir un daño pequeño, que, con la repetición, puede llevar a un daño mayor por efecto acumulativo. Un mecanismo de feedback monitorea el stress en cada articulación intervertebral y lo reduce variando la actividad muscular. Las fuerzas que actúan sobre las articulaciones deben ser resistidas por ellas. Su magnitud no debe exceder la resistencia biológica de cada articulación. Ante cargas excesivas los músculos se contraen para disminuirla tracción de estructuras no-contráctiles. Hay infinidad de músculos que pueden intervenir. Cuál es la combinación que provoca el menor gasto energético? Podemos empezar por calcular la magnitud de la tracción- compresión y tensión ligamentaria: es una función de la geometría espinal, cargas externas y actividad muscular. Como todas las vértebras están hechas del mismo material, todas soportan el mismo nivel de stress. El SISTEMA NERVIOSO CENTRAL monitorea los niveles de stress y usa esta información para coordinar la actividad muscular, así puede realizar sus actividades con el mínimo nivel de stress posible. A este sistema se le suma uno NOCICEPTOR.

Ahora bien ¿cómo hace el raquis para realizar sus movimientos con el menor costo de energía? ¿cómo hace para usar los ligamentos y fascias para realizar los movimientos y dejar a los músculos para: iniciar el movimiento, regular el nivel de stress segmentario y controlar los excesos de movimientos? Usa el SISTEMA LIGAMENTARIO POSTERIOR: ● ●

LIGAMENTOS DE LA LÍNEA MEDIA (supraespinosos, interespinosos y amarillos). FASCIA TORACOLUMBAR: es la aponeurosis de inserción posterior de los músculos anchos abdominales (oblicuos y transverso) que se divide en tres hojas:

1. MEDIA: separa músculos anteriores y posteriores, insertándose en el vértice de la apófisis transversa. 2. ANTERIOR: envuelve al psoas. 3. POSTERIOR: envuelve a los músculos de la masa común lumbar.

Ritmo lumbopélvico

En el movimiento de flexión anterior del raquis, como podría ser para levantar un objeto del piso, el tronco cae lentamente hacia adelante. Primero, a expensas de una flexión anterior del raquis (con rotación vertebral sagital y deslizamiento anterior), con rectificación de la lordosis lumbar, y luego por una anteversión de la pelvis. FLOYD y SILVER demostraron que hay actividad electromiográfica sólo al comienzo de la flexión anterior. Reconocieron la importancia de la coordinación muscular, pero luego de evaluar 140 casos, encontraron gran variedad de respuestas. Posiblemente algún otro grupo muscular debe ayudar a los espinales. Este, al debilitarse, deja solos a los espinales (o al revés): ¿los ABDOMINALES? Los ligamentos de la línea media y la fascia toracolumbar son fundamentales para retornar de la flexión anterior total. Estos son los pasos de la extensión total: 1. 2. 3. 4.

Posición inicial: flexión anterior total con reposo de espinales. Anteversión pelviana. Retroversión de la pelvis (glúteos e isquiosurales). Gran tensión de fascia toracolumbar y ligamentos amarillos que inician la extensión a expensas de la energía acumulada La contracción de los espinales aumenta la presión intracompartimental, que aumenta la tensión del sistema ligamentario posterior. 5. La contracción abdominal le da a la fascia una tensión adicional. 6. Desde los 45 el sistema nervioso central indica disminuir la tensión abdominal y aumentar la espinal. 7. Los espinales extienden el raquis hasta el final. Cómo se llega a la posición de flexión anterior con el mínimo costo energético? La LORDOSIS LUMBAR debe ser reducida durante la primera fase del movimiento para poner en tensión a los ligamentos posteriores lumbares. Este sistema ligamentario es el único capaz de balancear el cizallamiento anterior cuando se levantan objetos pesados. El anillo fibroso es enteramente responsable de la transmisión de las cargas, mientras que el núcleo pulposo se comporta como un pivot para el giro de la vértebra. La vértebra cizalla hacia adelante y tensa el anillo fibroso y los ligamentos vertebrales comunes transformándose en una estructura rígida que se responsabiliza de la transmisión de las cargas. Su deformación depende del tiempo que dure la situación de stress ya que es viscoelástico. La tensión del anillo fibroso aumenta la presión del núcleo pulposo lo que le permite actuar de fulcro del movimiento.

Sistema de soporte de cargas del raquis

La bipedestación misma representa una carga para el raquis. Este debe poner en funcionamiento su aparato muscular para: ● ●

Obtener igual stress relativo en todas las articulaciones Traducir el esfuerzo en compresión pura (para el disco intervertebral) y mínima tracción para las articulaciones interapofisarias y sistema ligamentario posterior.

El grado de stress pasa a ser fundamental para el control de la columna. Los 300 kg. teóricos que puede soportar nunca se alcanzan por la respuesta neurológica de los propioceptores. La columna puede enfermarse ante cargas anormales causadas por: ●

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Levantar un objeto pesado lejos del centro de gravedad del cuerpo humano. Los músculos espinales tienen un brazo de palanca muy corto y no pueden equilibrar un brazo de resistencia tan largo. La flexión del raquis trata de usar sólo los ligamentos y un equilibrado ritmo de contracciones musculares. El problema ocurre en la anteversión de la pelvis, ya que hace aumentar el brazo de resistencia e inicia la actividad muscular (glúteo mayor e isquiosurales). La contractura de éstos exige actividad muscular extra: se dispone de menos músculos para contrarrestar el stress intervertebral. Una carga inesperada, que no da tiempo a la contracción muscular compensatoria.

La marcha humana

La columna lumbar realiza inclinación lateral alternando hacia un lado y al otro, mientras la pelvis rota hacia un lado y la cintura escapular hacia el otro. La NUEVA TEORÍA DE LA LOCOMOCIÓN se basa en este sistema hombros-raquis-pelvis, que representa un MECANISMO OSCILADO en un campo gravitatorio. Las fibras del anillo fibroso se estiran o relajan alternativamente según el sentido de cada torsión de la columna vertebral. Es tentador especular que el mayor o menor movimiento del raquis está gobernado por la necesidad de ROTAR LA PELVIS para disminuir el gasto de energía. Se aprovecha así la energía almacenada en el anillo fibroso y no son necesarios los músculos de los miembros inferiores. Si extiendo la cadera con la musculatura gasto energía para aumentar la rotación de la pelvis y alargar la zancada y la velocidad. Los miembros inferiores deben SEGUIR A LA PELVIS. Visto así, los estudios de marcha que no incluyan el raquis son incompletos. BASMAJIAN comunica que halló registro electromiográfico mínimo en los miembros inferiores durante la marcha. La inclinación lateral promedio durante la marcha es de 7 que incluye una rotación transmitida a la pelvis. La LORDOSIS facilita la torsión automática en la inclinación lateral. En la fase de balanceo disminuye la lordosis lumbar, se inclina la columna y rotan pelvis y hombros. Al final de la fase el raquis está enrrollado, el PSOASILIACO restablece la lordosis y desenrrolla la columna. Para aumentar la velocidad el giro debe generarse en la columna. El mecanismo oscilador conserva la energía, gracias a su estructura viscoelástica. Consideramos así a la columna y sus medios de unión como DISPOSITIVOS para almacenar energía. El GRADO DE LORDOSIS es el principal factor para convertir un músculo inclinador unilateral (psoasilíaco) en rotador axial. El grado de curvatura lumbar es fundamental para el individuo y está dado por: - Forma de discos y cuerpos vertebrales - Oblicuidad de la cara superior del sacro Y esa lordosis está controlada por el psoas. El sistema nervioso controla el nivel de stress, pero los músculos son los únicos capaces de cumplir ese objetivo. El stress se origina a partir de los siguientes factores: - cizallamiento intervertebral - compresión axial - contracciones musculares - rotación axial en cada segmento cinético vertebral El stress intervertebral lo modula la coordinación de las contracciones musculares y su falla produce lesiones. Al caminar, la torsión pendular vertebral transmite el giro a la pelvis. Si la persona lleva una carga o tiene rigidez intervertebral, disminuye la posibilidad de rotar, disminuyendo así la oscilación pelviana. La forma de compensarlo es aumentando la lordosis. La HIPERLORDOSIS compensa la rotación axial. Puede ocurrir también que para disminuir el stress de tracción de las articulaciones debo flexionar la lordosis. Esto disminuye la inclinación lateral-rotación y exige una compensación de otros sectores vertebrales o de los miembros inferiores. Si la carga teórica es de 300 kg. y el raquis nunca alcanza los 210 kg. ¿Por qué puede fallar hasta la rotura con cargas menores? Algún mecanismo debe faltar explicarse. Hay una parte del anillo fibroso que jamás tenemos en cuenta: las FIBRAS TENSORAS. Se hallan entre dos láminas del anillo fibroso y se disponen en forma perpendicular a las mismas, insertándose en ambas. Actúan como pegamento, y logra que el deslizamiento entre ambas durante el movimiento sea suave y mínimo. A cargas permanentes, a

lo largo del tiempo, las fibras tensoras se elongan, ceden y permiten el abombamiento del disco. En situaciones normales resiste cargas muy altas, pero al dañarse las fibras tensoras, el disco pasa a ser muy débil. Las fibras periféricas son las que sufren el mayor stress y las primeras en dañarse.

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