Análisis bidimensional del ángulo valgo en la rodilla durante el

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Análisis bidimensional del ángulo valgo en la
rodilla durante el paso al costado
Anibal F. Bregains, Melisa A. Frisoli, Ariel A. A. Braidot
Laboratorio de Biomecánica FI-UNER, [email protected], 0343- 4975700 int. 121,
Km 11.5 Ruta 11 Oro Verde E.R.
Resumen— La rotura de Ligamento Cruzado Anterior
(LCA) constituye una de las lesiones más frecuentes en la
articulación de la rodilla que afecta mayoritariamente a
jóvenes deportistas. Este ligamento provee estabilidad
mecánica y realimentación propioceptiva a la rodilla siendo
crítico en movimientos con desaceleraciones y/o cambios
brusco de dirección tales como el paso al costado, el pivoteo y
las maniobras de aterrizaje.
El objetivo de este trabajo es establecer diferencias entre
una población sana e individuos que presentan lesión y
reconstrucción de LCA durante una maniobra de paso al
costado. En este estudio se analiza el ángulo de varo-valgo de
rodilla en 2D. La maniobra deportiva se realiza en dirección
paralela al plano de filmación. Comienza con el sujeto
normalmente de pie en la pasarela y continua con dos pasos al
costado consecutivos realizando el doble apoyo sobre la
plataforma de fuerza.
En este trabajo se analiza la evolución del paso al costado
de cuatro pacientes durante el proceso de rehabilitación
posterior a la cirugía de reconstrucción del LCA. Se
encuentran diferencias en el movimiento de varo valgo entre
la población con lesión y reconstrucción de LCA y la
población sana, y entre la extremidad sana y la extremidad
lesionada para un mismo sujeto durante su rehabilitación.
Se espera que la integración de estudios en el plano frontal
(2D) asociados a los estudios en el plano sagital puedan
resultar en un nuevo enfoque en la cuantificación de los
desbalances neuromusculares conformando una herramienta
de diagnóstico accesible para el tratamiento.
Palabras clave— ligamento cruzado anterior, ángulo varovalgo, desbalance neuromuscular.
Referencia—El trabajo es el resultado de una adscripción
que continúa con la línea de investigación del Laboratorio de
Biomecánica.
L
I. INTRODUCCIÓN
A rotura de Ligamento Cruzado Anterior (LCA)
constituye una de las lesiones más frecuentes y
traumáticas de la articulación de la rodilla que afecta
mayoritariamente a jóvenes deportistas. Existen numerosos
trabajos que investigan el grado de incidencia y los
mecanismos de producción de la lesión, las técnicas
quirúrgicas de reparación, la rehabilitación y la prevención
del daño de este importante ligamento [1]. La rotura de
LCA puede resultar de mecanismos de contacto o de no
contacto. Las dos terceras partes de los mismos provienen
de los mecanismos de no contacto y se producen
usualmente durante una desaceleración antes de un cambio
de dirección o un aterrizaje con la rodilla entre 20º de
flexión y la extensión total [2] y [3].
Desde el punto de vista biomecánico, el LCA provee
estabilidad mecánica y realimentación propioceptiva a la
rodilla. En su rol estabilizante restringe la traslación hacia
adelante de la tibia, previene la hiperextensión de la rodilla,
actúa como un estabilizador secundario frente a la carga en
el valgo (reforzando el ligamento colateral medial) y
controla la rotación de la tibia sobre el fémur en
extensiones femorales entre 0 y 30º. Es crítico en
movimientos tales como el paso al costado, el pivoteo y las
maniobras de aterrizaje [1] y [4].
La incidencia de diversos factores en el riesgo de rotura
de LCA imposibilita adjudicarle una causa en particular.
Existen evidencias de que la predisposición al mayor riesgo
viene dado por fenómenos de desbalances biomecánicos o
neuromusculares, los cuales se pueden identificar como
dominancia de ligamento, dominancia de cuadriceps y
dominancia de extremidad [1], [2], [3] y [5]. En el caso de
dominancia de ligamento la musculatura de la extremidad
inferior no absorbe adecuadamente las fuerzas en las
maniobras deportivas, resultando excesivas cargas en los
ligamentos de la rodilla, especialmente en el LCA. La
dominancia de ligamento a menudo se expresa en mayores
fuerzas de reacción del suelo, mayores momentos de valgo
en la rodilla y excesivo valgo en el movimiento de la
rodilla. La dominancia de cuadriceps se relaciona con el
desbalance entre la fuerza, el reclutamiento y la
coordinación en la flexión y extensión de la rodilla. Por
último, en la dominancia de extremidad, el desbalance se
produce entre la fuerza muscular y los patrones de
reclutamiento en las extremidades opuestas, con una de
ellas mostrando a menudo mayor control dinámico [5].
Uno de los tratamientos posibles para la ruptura de LCA
es la cirugía de reconstrucción de ligamento. La
rehabilitación posterior se realiza con la asistencia de un
kinesiólogo y se busca con ella recuperar y mejorar el
control neuromuscular de la extremidad inferior lesionada.
Para dar de alta al paciente, se considera suficiente una
recuperación de la fuerza muscular del 80% con respecto a
la pierna sana.
Diversas formas de valorar el riesgo de ruptura han sido
desarrolladas a través de pruebas en laboratorios,
trabajando en métodos de identificación de los desbalances.
Estudios recientes sugieren que el análisis bidimensional en
el plano frontal puede ser una herramienta apropiada para
determinar los mayores movimientos de valgo en gestos
como el paso y el salto al costado [1]. Se espera que la
integración de estudios en el plano frontal asociados a los
estudios en el plano sagital pueda resultar en un nuevo
enfoque en la cuantificación de estos desbalances
conformando una herramienta tanto de diagnóstico para el
tratamiento, como de seguimiento durante la rehabilitación.
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El objetivo de este trabajo es utilizar un análisis
cinemático bidimensional para determinar diferencias
existentes en el valgo, entre una población sana e
individuos que presentan lesión y reconstrucción de LCA
cuando los atletas realizan una maniobra de paso al
costado. Para la comparación entre los individuos se utiliza
el ángulo varo valgo de la rodilla. La hipótesis planteada es
que la extremidad lesionada manifiesta mayor movimiento
valgo respecto de la extremidad no lesionada y de la
población sana.
II. MATERIALES Y METODOS
A. La Población
En este estudio se analizan básicamente dos poblaciones
masculinas de individuos, una de ellas consiste de sujetos
activos sin antecedentes de patología que se establecen
como base de comparación (población sana), y la otra
corresponde a pacientes con lesión y reconstrucción de
LCA en una de sus extremidades derivados del Instituto de
Ciencias del Deporte de la Ciudad de Paraná (población
lesionada).
La población sana está constituida por cinco voluntarios
masculinos (altura = 186,00 ± 2,45 cm., peso = 79,12 ±
4,01 Kg., edad = 24,00 ± 0,71 años). La población de
pacientes con lesión y reconstrucción de LCA está
compuesta de siete individuos (altura = 179,28 ± 5,94 cm.,
peso = 84,28 ± 19,32 Kg., edad = 25,57 ± 5.72 años).
B. Sistema de Registro
El sistema de registro consiste en un sistema de
videografía bidimensional y una plataforma de fuerza. La
cámara utilizada es de tipo PAL-N a 25 cuadros por
segundo con un tamaño de cuadro de 768 x 576 píxeles. La
misma se coloca a 4 metros del plano de filmación,
teniendo en cuenta la nivelación y se utiliza un cubo de
calibración con cada filmación. La plataforma de fuerzas
posee una frecuencia de muestreo de 50 Hz. El sistema de
adquisición fue previamente validado por el Laboratorio de
Biomecánica.
A cada sujeto se le colocan 14 marcadores reflectivos
localizados en lugares específicos (Fig. 1). De los 7
marcadores correspondientes a cada extremidad, 3 de ellos
se ubican a la altura de los centros articulares, mientras que
los restantes están en el plano frontal situados en los
siguientes puntos anatómicos:
• Origen del Recto Anterior en el fémur: el marcador
asociado se denomina muslo proximal (MUSProx).
• Punto medio entre los epicóndilos lateral y medial del
fémur, justo por encima de la rótula: el marcador asociado
se denomina muslo distal (MUSDist).
• Tuberosidad tibial, coincidente con la diáfisis
proximal de la tibia: el marcador correspondiente se
denomina rodilla frontal (TIBProx).
• Punto medio entre los maléolos lateral y medial: el
marcador se denomina tibia distal (TIBDist).
La trayectoria de los marcadores se determina a partir
de un software desarrollado anteriormente en el
Laboratorio de Biomecánica. Los datos obtenidos son
filtrados con un filtro Butterworth cuya frecuencia de corte
es de 4Hz.
Cad
Rod
Musp
Musd
Rotu
Mal
Tibd
Fig. 1.: Puntos anatómicos para la definición de los segmentos articulados
en el plano frontal.
Los segmentos representativos de los miembros
inferiores, muslo y pierna, se establecen a partir de las
líneas que unen los centros articulares de cadera-rodilla y
rodilla-tobillo, respectivamente, utilizando las coordenadas
de los marcadores frontales suponiendo las hipótesis del
modelo de segmentos articulados. A su vez los centros
articulares se calculan en forma previa a través de la
intersección de la prolongación de uno de los segmentos y
la altura del marcador lateral.
El ángulo funcional de valgo se determina utilizando los
segmentos muslo y pierna, correspondiéndole cero grados
cuando los segmentos están alineados (1).
 → →

rc × rt
θ = A sin  → →

 rc ⋅ rt

→
→






(1)
En donde rc y rt son los vectores que van desde el
centro articular de la rodilla al centro articular de la cadera
y desde el centro articular de la rodilla al centro articular
del tobillo, respectivamente.
La maniobra comienza con el sujeto normalmente de pie
en la pasarela para luego realizar dos pasos al costado
consecutivos en dirección paralela al plano de filmación. El
análisis de los datos registrados se realiza del 0 al 100%
del ciclo limitándose el mismo entre la repetición de un
evento. Cada ciclo comprende cuatro fases en distinto
orden de aparición según la pierna y la dirección de la
maniobra: Balanceo (B), Doble Soporte (DS), Simple
Soporte (SS) y Doble Soporte nuevamente pero debido a la
duración efímera de esta última, se considera sólo las
demás por ser las realmente significantes. Durante un
3
mismo gesto, entonces, se registran dos secuencias
diferentes correspondientes una a cada pierna: BalanceoDoble Soporte-Simple Soporte (B-DS-SS), y Simple
Soporte-Doble
Soporte-Balanceo
(SS-DS-B),
respectivamente. Por lo tanto ambas secuencias se obtienen
en cada pasada individual (de derecha a izquierda o
viceversa) y se correlacionan dos secuencias iguales de
ambos miembros. Esto permite comparar la misma
secuencia entre pierna derecha e izquierda, particularmente
en la población lesionada las diferencias entre la rodilla
sana y la rodilla lesionada.
Con el objetivo de estudiar los parámetros registrados, se
desarrollo un algoritmo en Matlab 6.5 cuya función es la
obtención de variables de interés a partir de los datos
cinemáticas captados por videografía. Este programa
convierte las coordenadas cartesianas de cada marcador
durante el transcurso del gesto y retorna gráficas acotadas
por eventos predeterminados, del 0 al 100% del ciclo del
gesto, que facilitan la interpretación de resultados.
III. RESULTADOS Y DISCUSION
Esta primera etapa de investigación el análisis realizado
comprende la obtención del ángulo de varo valgo en la
rodilla, continuándose posteriormente con el estudio de las
variables dinámicas captadas mediante la plataforma de
fuerza y su posterior correlación a fin de hallar un indicador
del estado de recuperación de la lesión de LCA, teniendo
como referencia, la extremidad sana de los individuos
lesionados, además de la población sana registrada.
A. Población Sana
A partir del análisis cinemático de la población sana, se
evalúan las extremidades para las dos secuencias y se
observa que el ángulo varo valgo es el mismo para ambas
piernas, es decir, que no sólo se encuentran dentro de un
rango acotado sino también mantienen una morfología
similar.
En la Fig. 2 se demuestra el valor medio del ángulo varo
valgo y su desvío estándar durante la secuencia (B-DS-SS),
donde las excursiones positivas y negativas representan un
ángulo de valgo y varo, respectivamente. La misma se
obtiene a partir del registro de pierna izquierda y derecha.
Fig. 2: Secuencia Balanceo-Doble Soporte-Simple Soporte para ambas
extremidades.
La fase inicial de esta secuencia, correspondiente a la
etapa de balanceo durante la cual la pierna no soporta
carga, se aprecia una notable variación del ángulo que se
adjudica a la flexión de la rodilla en el plano sagital
generando el pasaje de valgo a varo en la gráfica. La
porción central de la gráfica representa en ambas
secuencias (Fig. 2 y 3) la fase de doble soporte durante la
cual la carga se distribuye en las dos extremidades
dificultando una comparación entre ambas piernas. Por
último, en la fase de simple soporte la pierna resiste el peso
del cuerpo y como consecuencia es la fase en la cual se
focaliza el estudio. Esta fase comienza a partir del valle
ubicado alrededor del 60% del ciclo de marcha y se
continúa en un crecimiento continuo acorde al traslado
progresivo de carga sobre la pierna analizada.
La curva de la Fig. 3 demuestra una morfología diferente
a la secuencia anterior, indicando un comportamiento
distinto. En este caso, se pueden observar las fases de
simple soporte, doble soporte y balanceo. En esta
secuencia, la fase de interés está comprendida por el inicio
de la curva hasta el 25% aproximadamente. También se
observa una pendiente positiva aunque de menor valor, lo
que representa el soporte que realiza la extremidad, en este
caso más gradual que la secuencia anterior. En la fase de
balanceo
se
observan
nuevamente
variaciones
considerables adjudicadas a las mismas razones.
Se observa de todos modos que sendas secuencias
exhiben valores medios equivalentes y amplitudes
semejantes lo que se traduce en un movimiento de valgo
normal en ambos miembros.
Fig. 3: Secuencia Simple Soporte -Doble Soporte- Balanceo para ambas
extremidades.
B. Población Lesionada
Al igual que en el caso de la población sana, se examinan
los datos cinemáticos obtenidos a partir del registro de siete
pacientes lesionados. Naturalmente, cada paciente está
sometido a condiciones particulares, obteniendo diferentes
respuestas durante la rehabilitación post-cirugía. Los
resultados de los pacientes se analizan, aproximadamente, a
los sesenta días después de la cirugía para poder comparar
los
resultados
intentando
mantener
condiciones
equivalentes.
Los resultados obtenidos en la secuencia B-DS-SS
demuestran que la pierna lesionada posee un mayor
aumento del ángulo en la articulación de la rodilla no solo
relativo a la población sana sino también a la extremidad no
lesionada del mismo individuo (Fig. 4).
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Fig. 4: Angulo varo-valgo de ambas extremidades durante la fase de
soporte de la secuencia B-DS-SS para un individuo en particular.
Considerando la variación de las curvas durante las fases
de soporte en la secuencia B-S-SS, se calcula la mayor
diferencia de ángulo valgo existente (∆θ), comprendida
entre el inicio de la fase y el pico que se produce al
momento de mayor carga en la rodilla alrededor del 90%
del ciclo. La Tabla I contiene estas diferencias para la
pierna sana y para la lesionada de los siete individuos. El
promedio de incremento de ángulo en la extremidad
lesionada es de ∆θ = 3,82 ± 1,54°, mayor al de la
extremidad sana cuyo promedio es de ∆θ = 3,34 ± 0,97°. A
su vez, la población sana cuyo valor es de ∆θ = 2,95 ±
1,17°. Estos datos demuestran que el parámetro evaluado es
un indicador del estado de anomalía en el que se halla la
articulación en vía de recuperación debido a la clara
diferencia respecto de la población sana. El promedio de
ángulo valgo en la extremidad sana de los individuos
lesionados de valor mayor a la de los sujetos no lesionados
evidencia una sobrecarga sobre este miembro como
consecuencia del estado de la rodilla dañada. La diferencia
entre la pierna sana de la población lesionada respecto de la
población sana es esperada en este tipo de patología como
consecuencia de la marcha anormal generada por el estado
de recuperación de la rodilla.
Fig. 5: Angulo varo-valgo de ambas extremidades durante la fase de
soporte de la secuencia SS-DS-B para un individuo en particular.
IV. CONCLUSIONES
Si bien el estudio se encuentra todavía en las fases
iniciales, demuestra ser una herramienta factible (de menor
costo en comparación a los estudios 3D de alta
complejidad) que indica el grado de lesión del LCA de un
individuo. Asimismo, este estudio permitiría el diagnóstico
de personas cuya articulación se halle bajo riesgo de rotura
de LCA. Durante el desarrollo de esta etapa de trabajo
notamos que la variabilidad entre individuos dada por el
valgo fisiológico propio y la lesión particular de cada sujeto
dificulta el establecimiento de una curva específica de baja
desviación. Es claro que se requiere asociar los datos
dinámicos registrados que corresponden a la continuidad de
este trabajo de investigación para obtener una
cuantificación significativa de la evolución.
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos al Instituto de Ciencias del Deporte por
su apoyo en la investigación, a toda la población de
personas registradas y a todos los colaboradores del
Laboratorio de Biomecánica de la FIUNER
TABLA I
AUMENTO DE ANGULO VARO-VALGO EN LA FASE DE SOPORTE
(∆Θ: GRADOS).
Paciente
1
2
3
4
5
6
7
6.0 5.1 3.8 2.0 5.2 3.0 1.7
Extremidad
Lesionada ∆θ °
Extremidad Sana 3.0 3.5 1.5 4.0 3.6 2.9 4.9
REFERENCIAS
[1]
Promedio
3,82
[2]
3,34
[3]
∆θ °
Respecto a los resultados obtenidos en la secuencia SSDS-B, no se observan diferencias apreciables entre ambas
poblaciones para la fase de soporte, donde el ángulo varovalgo se mantiene en un nivel bastante constante (Fig. 5).
Se cree que esto se debe a que durante esta secuencia la
extremidad no sufre variaciones de carga bruscas como en
la secuencia B-S-SS.
[4]
[5]
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A. J. van den Bogert, “Evaluation of a two dimensional analysis
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K. R. Ford, G. D. Myer, R. L. Smith, R. N. Byrnes, S. E. Dopirak y
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