SISTEMAS BIOFÍSICOS MECÁNICOS, BIOFÍSICA DE LOS FLUIDOS

Magnitudes y medidas

 “La Física es una ciencia fundamentalmente dedicada a la comprensión de los fenómenos naturales que ocurren en nuestro universo. Es una ciencia basada en observaciones experimentales y mediciones cuantitativas. Su objetivo es desarrollar teorías físicas basadas en leyes fundamentales que permitan explicar el comportamiento del mayor número posible de fenómenos con la menor cantidad de leyes y predecir los resultados de los experimentos.

Las leyes de la Física se expresan en términos de magnitudes básicas que requieren una definición clara. En mecánica existen tres magnitudes fundamentales que son longitud (L), masa (M) y tiempo (T). Son fundamentales porque no son deducibles de ninguna otra magnitud y están definidas en términos de comparaciones con un patrón establecido.

Los valores de las magnitudes físicas se expresan en unidades de medidas. En 1960, un comité internacional estableció reglas para determinar el conjunto de patrones para las magnitudes fundamentales: es el Sistema Internacional (SI) de unidades. (ZARUMA, 2015)

Las unidades medidas más utilizadas en la medicina.

“Magnitud: Es toda propiedad de los cuerpos que se puede medir. Por ejemplo: temperatura, velocidad, masa, peso, etc.

Medir: Es comparar la magnitud con otra similar, llamada unidad, para averiguar cuántas veces la contiene.

Unidad: Es una cantidad que se adopta como patrón para comparar con ella cantidades de la misma especie. Ejemplo: Cuando decimos que un objeto mide dos metros, estamos indicando que es dos veces mayor que la unidad tomada como patrón, en este caso el metro” (ZARUMA, 2015)

Fuerza y Energía

“Energía y fuerza son conceptos muy relacionados, aunque son distintos entre sí. Básicamente, la energía está presente en todos los cuerpos (si el cuerpo está en reposo posee   energía             potencial y   si           está     en movimiento la energía potencial se ha trasformado en energía cinética).La fuerza es una acción que solo se puede expresar cuando hay interacción entre dos cuerpos. Fuerza aplicada de un cuerpo al otro transforma la energía potencial en cinética.

Energía es la capacidad para realizar un trabajo o para transferir calor; la energía a su vez se presenta como energía calórica, energía mecánica, energía química, energía eléctrica y energía radiante; estos tipos de energía pueden ser además potenciales o cinéticos. La energía potencial es la que posee una sustancia debido a su posición espacial o composición química y la energía cinética es la que posee una sustancia debido a su movimiento.

Fuerza es la interacción entre dos cuerpos, que produce cambios ya sea en la forma o en el estado (reposo o movimiento) de ellos.”

Las leyes que rigen el comportamiento de las fuerzas las enunció Newton y hoy se conocen como Las tres leyes de Newton y conforman los Principios de la Dinámica. (ZARUMA, 2015)

Elasticidad y Resistencia de los tejidos Humanos

“Alrededor de 85% de la masa muscular esquelética del ser humano está compuesto por fibras musculares propiamente dichas.

El 15% restante está formado en gran parte por tejido conectivo compuesto en cantidades variables por fibras colágenas, reticulares y elásticas.

Fibras colágenas. Son las más abundantes. Están formadas por la proteína colágeno. Brindan rigidez y resistencia al tejido. El colágeno es la proteína más abundante del organismo humano, representando el 30% del total. Se encuentran en la gran mayoría de los tejidos conectivos, sobre todo en el hueso, el cartílago, los tendones y los ligamentos. Son flexibles y resistentes.

Fibras elásticas. Son más pequeñas que las de colágeno, se ramifican y vuelven a reunirse libremente unas con otras. Están constituidas por la proteína (colágeno) y elastina. Al igual que las fibras de colágeno, proporcionan resistencia, pero además pueden estirarse ampliamente, sin romperse. Las fibras elásticas son muy abundantes en la piel, los vasos sanguíneos y los pulmones, se estiran sin romperse hasta el 150% de su longitud.

Por lo tanto, el tejido conectivo constituye una estructura de elementos simples y, en su mayoría, semejantes a muelles, es decir, los componentes elásticos del musculo. (ALVARADO, 2017)

Resistencia y estructura de los músculos y huesos, la Contracción muscular.

“Estructura del hueso: El hueso es un tejido duro que constituye la mayor parte del esqueleto y consta de elementos orgánicos (células y matriz) e inorgánicos (minerales). Sus componentes son: cartílago, disco epifisiario, hueso compacto, endostio, medula ósea, abertura, vasos nutrientes

Resistencia de los huesos.- Los huesos les confiere una enorme resistencia y les permite soportar sin problema todo el peso del resto del cuerpo. La fortaleza de los huesos se debe Principalmente a su estructura interna, construida a partir de miles de unidades tubulares compactadas en torno al perímetro del hueso: los sistemas haversianos.

Estructura de los músculos.- Los músculos son los órganos activos del movimiento, son los elementos esenciales del corazón, controlan el diámetro de los vasos sanguíneos y son los responsables de actos como la respiración, parto, micción, defecación y mantenimiento del equilibrio corporal. Tiene como propiedad la excitabilidad, contractibilidad, elasticidad y tonicidad.

Para que los músculos se muevan y sostengan nuestro cuerpo y sus órganos, se deben realizar dos acciones musculares, la contracción y la relajación.

Contracción muscular.- se produce cuando un impulso (señal) proveniente del sistema nervioso central le ordena a las fibras que componen el músculo que se acorten (disminuyan su tamaño). Existen dos tipos de contracciones musculares que trabajan en conjunto y se complementan para realizar sus distintas actividades.

La relajación.- es el momento en que la contracción da fin. La relajación es el resultado del fin del impulso nervioso en la placa neuromuscular.” (ALVARADO, 2017)

LA BIOMECÁNICA DE LA MARCHA

“La marcha.- La locomoción humana normal se ha descrito como una serie de movimientos alternantes, rítmicos, de las extremidades y del tronco que determinan un desplazamiento hacia delante del centro de gravedad. La marcha Comienza: Cuando el pie contacta con el suelo y termina con el siguiente contacto del mismo pie en el suelo. El conocimiento de la locomoción humana normal es la base del tratamiento sistemático y del manejo de la marcha patológica, especialmente cuando se usan prótesis y órtesis. La locomoción humana normal se ha descrito como una serie de movimientos alternantes, rítmicos, de las extremidades y del tronco que determinan un desplazamiento hacia delante del centro de gravedad. Más específicamente, la locomoción humana normal puede describirse enumerando algunas de sus características. Aunque existen pequeñas diferencias en la forma de la marcha de un individuo a otro, estas diferencias caen dentro de pequeños límites.

En la marcha se da una sucesión de doble apoyo y de apoyo unipodal, es decir que durante la marcha el apoyo no deja nunca el suelo, mientras que en la carrera, como en el salto, existen fases aéreas, en las que el cuerpo queda suspendido durante un instante.

Métodos de estudio de la marcha

Es estudio de la marcha comprende tanto la cinemática, que describe los movimientos, como la cinética, que estudia las fuerzas que producen los movimientos. Para el análisis de la marcha se usan diversos métodos:

·         Acelerometría: permite medir a la aceleración en cualquier segmento o articulación del cuerpo.

·         Goniometría digital: mide la posición angular en cualquier instante de tiempo.

·         Sistemas de análisis en 2D y 3D (cámaras normales, infrarrojas.): registran en video el movimiento y permiten digitalizar el cuerpo como un sistema de segmentos unido por puntos.

·         Electromiografía (EMG): mide la actividad muscular.

·         Baropodometría (figura 4.1.1a): mide la presión ejercida sobre el piso.

·         Plataformas de fuerza (figura 4.1.1b): registran la fuerza durante el apoyo del pie en el ciclo de marcha.

Ciclo de marcha

El ciclo de marcha comienza cuando el pie contacta con el suelo y termina con el siguiente contacto con el suelo del mismo pie. Los dos mayores componentes del ciclo de la marcha son: la fase de apoyo (60% del ciclo) y la fase de balanceo (40% del ciclo). Una pierna está en fase de apoyo cuando está en contacto con el suelo y está en fase de balanceo cuando no contacta con el suelo. El apoyo sencillo se refiere al periodo cuando sólo una pierna está en contacto con el suelo. El periodo de doble apoyo ocurre cuando ambos pies están en contacto con el suelo simultáneamente.

Con el aumento de la velocidad de la marcha hay un aumento relativo en el tiempo gastado en la fase de balanceo, y con la disminución de la velocidad una relativa disminución. La duración del doble apoyo disminuye conforme aumenta la velocidad de la marcha. La ausencia de un período de doble apoyo es lo que diferencia correr de caminar.

El ciclo de marcha se divide en dos fases principales: apoyo y balanceo.

Fase de apoyo

·         Contacto del talón: instante en que el talón de la pierna de referencia toca el suelo.

·         Apoyo plantar: contacto de la parte anterior del pie con el suelo.

·         Apoyo medio: ocurre cuando el trocánter mayor está alineado verticalmente con el centro del pie, visto desde un plano sagital.

·         Apoyo terminal: ocurre cuando el talón se eleva del suelo.

·         Despegue: ocurre cuando los dedos se elevan del suelo.

La fase de apoyo puede también dividirse en intervalos con los términos de aceptación del peso, apoyo medio y despegue. El intervalo de aceptación del peso empieza en el contacto del talón y termina con el apoyo plantar. El intervalo de apoyo medio empieza con el apoyo plantar y termina con el apoyo terminal del talón. El despegue se extiende desde el apoyo termina hasta el despegue de los dedos.

Balanceo

 

·         Balanceo inicial: se caracteriza por la rápida aceleración del extremo de la pierna inmediatamente después de que los dedos dejan el suelo.

·         Balanceo medio: la pierna balanceada pasa a la otra pierna, moviéndose hacia delante de la misma, ya que está en fase de apoyo.

·         Balanceo terminal: se da la desaceleración de la pierna que se mueve rápidamente cuando se acerca al final del intervalo.

Parámetros

·         Ciclo de marcha: recorrido entre dos apoyos sucesivos de un mismo talón.

·         Zancada: secuencia de acontecimientos que tiene lugar entre dos choques de talón consecutivos del mismo pie. La distancia media entre dos apoyos consecutivos del mismo pie se denomina longitud de zancada y es, en definitiva, la suma de las longitudes del paso izquierdo y del derecho.

·         Velocidad de marcha: distancia que recorre el cuerpo hacia delante en la unidad de tiempo (por ejemplo, 1.5 m/s).

·         Cadencia de marcha: ciclos o pasos por unidad de tiempo (120 pasos/min o 1 ciclo/s).

·         Longitud de ciclo: distancia entre dos choques consecutivos de talón de un mismo pie.

·         Longitud de paso: distancia entre ambos pies cuando contactan con el suelo.

·         Amplitud de paso: distancia entre los centros de las huellas plantares.

·         Ángulo interpodal: formado por el eje longitudinal del pie y la línea media de la progresión de la marcha.

Determinantes de la marcha

Durante la marcha, el movimiento que imprime el centro de gravedad es sinuoso y no rectilíneo, lo cual exige ciertos intercambios de energía: conversiones entre energía cinética y potencial y transferencias de energía entre segmentos.

Durante la fase de apoyo bipodal el centro de gravedad del tronco se encuentra en su posición más baja y presenta su máxima velocidad hacia delante, es decir, su energía potencial es mínima y su energía cinética máxima (figura 4.1.2).

Tradicionalmente se han identificado seis mecanismos fundamentales de optimización de la marcha encaminados a la reducción de las oscilaciones que presentaría teóricamente el centro de gravedad del cuerpo. Estos seis mecanismos fundamentales son:

·         Rotación pélvica en el plano transversal: la pelvis rota hacia delante en el plano horizontal 4o cada lado de la línea central, cuando el centro de gravedad está en el punto inferior de la trayectoria de la curva. Esta rotación permite que el desplazamiento vertical del centro de gravedad disminuya 1 cm. Para compensar, los brazos se mueven en sentido opuesto a los miembros inferiores y la cintura escapular gira en el sentido contrario a la pelviana.

·                   Inclinación pélvica: la pelvis desciende hacia el lado de la pierna en balanceo, mientras que la pierna que soporta el peso entra en aducción a medida que la pelvis de desplaza hacia ella. Este ligero desplazamiento sirve para reducir la elevación del centro de gravedad en 3 mm.

·      Flexión de la rodilla durante la fase de apoyo: luego del apoyo de talón, la rodilla se flexiona unos 15º, lo cual desciende en otros 3 mm el centro de gravedad en su punto máximo.

·         Ancho de la base de sustentación: En la marcha normal, la pelvis debe desplazarse horizontalmente para mantener su estabilidad en el apoyo medio. La estrecha base de sustentación, entre 5 y 10 cms reduce el desplazamiento lateral del centro de gravedad.

·         Contacto mediante el talón y despegue mediante el antepié.

·         Ligera angulación fisiológica en valgo de la rodilla: Persiguiendo una reducción del desplazamiento lateral del centro de gravedad.

Cuando se pierde cualquiera de estos 6 mecanismos fundamentales, se produce un aumento del gasto de energía.

En un análisis de marcha, se estudian las posiciones angulares de los segmentos en cada uno de los planos: sagital, frontal y horizontal. Para las articulaciones de rodila y tobillo estos movimientos en cada plano se conocen como flexo/extensión, abducción/adducción y rotación interna/externa. En la pelvis se llaman inclinación, oblicuidad y rotación interna y externa. Para el tobillo, dorsi/plantiflexión y progesión del pie. En la figura 4.1.3, se muestran los valores de referencia (franja gris) y los valores para el ciclo de marcha derecho (verde) e izquierdo (rojo) de un sujeto de prueba.

Cinética

Las fuerzas presentes durante la marcha son las de gravedad, inercia, contracción muscular y las de reacción del suelo, conocidas comúnmente como GRF por sus siglas en inglés (ground reaction force).

En una análisis cinético de marcha, se estudian las fuerzas de reacción producidas por el vector GRF ne los tres ejes (vertical, medial-lateral y anteroposterior), los momentos articulares y la potencia muscular (figura 4.1.4).

Potencia

La potencia durante la marcha se debe a la energía producida (P>0) o absorbida (P<0) en las articulaciones por la acción de los momentos internos (musculares) y externos (fuerza de reacción). Una potencia positiva se relaciona con contracciones musculares concéntricas, mientras que las negativas se deben a contracciones excéntricas.

En  el  análisis  de  marcha,  la  potencia  se  calcula  como  el  producto                         , donde         es el momento articular y  es la velocidad angular en [rad/s].

Flujo de potencia

En otras palabras, el flujo de potencia muscular tiene dos componentes, una entregada a o absorbida por el extremo proximal y otra entregada a absorbida por el extremo distal. Estos se llaman flujos activos porque son transmitidos de los músculos insertados al segmento    en    la     articulación.     Si     el     flujo     proximal     es     igual     al distal, por lo que no habrá potencia generada ni absorbida.

En otras palabras el músculo se está contrayendo isométricamente y está únicamente transfiriendo de un segmento a otro. Por otro lado, si un segmento está fijo, habrá genración o absorción de potencia pero no transferencia.

Alteración de la marcha

Las causas que originan una marcha patológica pueden agruparse en 3 tipos:

·         Anormalidades frecuentes: Acortamiento de miembro inferior, anquilosis o limitación de la amplitud articular, inestabilidad articular o marcha antiálgica.

·         Déficits      neurológicos       de      origen      central:       Hemiplejía,       espasticidad, ataxia, parkinsonismo...

·         Lesiones neurológicas periféricas: parálisis de extensores de cadera, de glúteo medio, de cuádriceps, isquiotibiales, flexores dorsales del pie o del tríceps sural. “(LINEA, 2016)

BIBLIOGRAFIA:

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GALVEZ, C. L. (05 de 08 de 2015). BLOG DE BIOFISICA. Obtenido de BIOFISICA: http://biofisicamgp.blogspot.com/2015/08/normal-0-21-false-false-false-es-ec-x.html
LINEA, A. E. (16 de 02 de 2016). BIOMECANICA DE LA MARCHA. Obtenido de
BIOMECANICA                       DE                        LA                    
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ZARUMA, M. C. (24 de 08 de 2015). SISTEMAS BIOFÍSICOS MECÁNICOS, BIOFÍSICA DE LOS
FLUIDOS. Obtenido de SISTEMAS BIOFÍSICOS MECÁNICOS,                              
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