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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.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
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.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
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
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
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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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
MIM-2004-I-09
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