Biomecánica Ósea

Resumen

Este trabajo está basado en proyectos para avances tecnológicos en el ámbito de la medicina, más precisamente dicho, en el área de la reconstrucción y/o reparación de estructuras Oseas de las personas que hayan sido dañadas o desgastadas ya sea por accidentes, lesiones o por simple deficiencia de estos elementos en cada persona.

Abstract.- This work is based on projects for technological advances in the field of medicine, more precisely said, in the recreation area and / or repair of bony structures of the people who have been damaged or worn either by accidents, injuries or simple deficiency of these elements in each person.

Introducción

La biomecánica es una disciplina científica que tiene por objeto el estudio de las estructuras de carácter mecánico que existen en los seres vivos, fundamentalmente del cuerpo humano. Esta área de conocimiento se apoya en diversas ciencias biomédicas, utilizando los conocimientos de la mecánica, la ingeniería, la anatomía, la fisiología y otras disciplinas, para estudiar el comportamiento del cuerpo humano y resolver los problemas derivados de las diversas condiciones a las que puede verse sometido1.

La biomecánica se estableció como disciplina reconocida y como área de investigación autónoma en la segunda mitad del siglo XX en gran parte gracias a los trabajos de Y. C. Fung cuyas investigaciones a lo largo de cuatro décadas marcaron en gran parte los temas de interés en cada momento de esta disciplina.

Biomecánica: ramas y sus componentes

Los avances de la biomecánica no se centran en una sola área de estudio sino que existen diversas líneas de investigación y a diversas partes del cuerpo, todas ellas con un gran universo de estudio.

De igual forma, existen tres ámbitos generales para el estudio de la biomecánica, los cuales son:

Biomecánica médica. Para evaluar las patologías que aquejan al cuerpo humano y generar soluciones capaces de evaluarlas, repararlas o mitigarlas.

Biomecánica deportiva. Para el análisis de la práctica deportiva en busca de mejorar su rendimiento, desarrollar técnicas de entrenamiento y diseñar complementos, materiales y equipamiento de altas prestaciones.

Biomecánica ocupacional. Para analizar particularmente la interacción del cuerpo humano con los elementos con que se relaciona en diversos ámbitos (en el trabajo, en casa, en la conducción de automóviles, en el manejo de herramientas, etc.) y adaptarlos a sus necesidades y capacidades.2

Las áreas de la ciencia que componen la biomecánica son particularmente las presentadas en la siguiente figura:

Figure 1 Areas de la Biomecanica; Biomecanica del pie Fernando Chico Ruiz

Así como existen diversas áreas de la biomecánica, se pueden apreciar las ramas más populares de esta disciplina en el grafico a continuación:

Figure 2 Principales ramas de la biomecánica; Biomecanica del pie Fernando Chico Ruiz

Biomecánica: antecedentes anatómicos y fisiológicos

Ya que la rama de la biotecnología tiene un campo muy amplio de estudio, nos centraremos en lo que es la biomecánica de los huesos, por ello nuestros antecedentes y conocimientos de anatomía deben estar enfocados al estudio de la resistencia y composición de los huesos y a sus reacciones frente a distintos materiales mecánicos, pero sin olvidar el entorno en donde se aplicaran las técnicas de reconstitución, como por ejemplo las arterias, los músculos de la zona, etc. Son factores que deben analizarse antes del implemento de cualquier tratamiento.

Huesos

El hueso es un material anisótropo y viscoelástico. Se forma y se reabsorbe según las tensiones mecánicas que sufre (ley de Wolff). Su resistencia varía en función de la dirección en la que se aplica la carga. El hueso es más frágil ante la tensión que ante la compresión. En vivo, la actividad muscular modifica las fuerzas que soportan los huesos. Diversos factores mecánicos influyen en la consolidación ósea y la cuestión más importante es elegir entre una fijación estable o una inestable. La osteosíntesis es estática si su rigidez no cambia durante la fase de consolidación. Si el foco de fractura es abierto, la osteosíntesis estática debe ser estable. La osteosíntesis es dinámica cuando se hace variar su rigidez durante la consolidación, para mejorar la formación del callo o para reducir el riesgo de fractura iterativa (clavo y fijador externo). La osteosíntesis dinámica puede ser relativamente inestable durante 5 o 6 semanas para favorecer el callo perióstico y posteriormente estable hasta que finalice la consolidación. Aún no se conoce con certeza cuál es el grado de inestabilidad que favorece la consolidación durante las primeras semanas, aunque la experiencia demuestra que debe mantenerse una inestabilidad moderada.3

Otro desarrollo importante de la biomecánica fue la búsqueda de ecuaciones constitutivas que modelaran adecuadamente las propiedades mecánicas de los huesos.

Mecánicamente los huesos son estructuras mecánicas anisotropas, más exactamente tienen propiedades diferentes en las direcciones longitudinales y transversales. Aunque sí son transversalmente isótropos, no son globalmente isótropos. Las relaciones de tensión-deformación en los huesos pueden ser modeladas usando una generalización de la ley de Hooke, para materiales ortotrópicos:

Tejido muscular

Existen tres tipos de músculo:

Músculo liso (no estriado): El estómago, el sistema vascular, y la mayor parte del tracto digestivo están formados por músculo liso. Este tipo de músculo se mueve involuntariamente.

Músculo miocardíaco (estriado): Los cardiomiocitos son un tipo altamente especializado de célula. Estas células se contraen involuntariamente y están situadas en la pared del corazón, actúan conjuntamente para producir latido sincronizados.4

Músculo esquelético (estriado): Es un músculo que desarrolla un esfuerzo sostenido y generalmente voluntario. Un modelo ampliamente usado para este tipo de músculo, es la ecuación de Hill que puede simular adecudamente el tétanos:

Con estos estudios, podríamos realizar pruebas con metales y obtener distintos valores de materiales que podrían ser utilizados para implementarlos dentro de una persona, sin olvidar que el sujeto al que se le implementara esto, se le deberán realizar pruebas tanto sanguíneas como emocionales somo medio de seguridad antes de la intervención quirúrgica.

Figure 3 Estructura del Hueso(Femur); Apartado de Cowin y Cols 1987

Aplicaciones: biomecánica ósea

Según los estudios realizados por diversas personas y/o instituciones dedicadas a la rama de la medicina y ellos, habiendo realizado todas las pruebas necesarias de resistencia de materiales, crecimiento del hueso, composición del hueso, resistencia frente a distintos factores y propiedades de tensión-deformación mediante ensayos mecánicos, se puede proceder a realizar un implante; comparando la resistencia de los huesos humanos con los de animales y con materiales existentes, se presenta la siguiente tabla:

Tabla 1 Comparación entre las diferentes materiales y huesos5

Aplicación: Tratamiento médico de una Raquiestenosis Lumbar

La raquiestenosis lumbar existe cuando se produce una compresión de los elementos neurales y su aporte de nutrientes, secundario a un estrechamiento del canal raquídeo. Este estrechamiento se puede localizar en el canal central, el receso lateral y en la forámina, en una de estas zonas o todas concurrentemente. Esto disminuye el flujo de LCR, el cual constituye el 60% del aporte nutricional de la cauda equina, además de provocar un aumento en la presión venosa, lo cual reduce la perfusión tisular de ésta.6

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Biotecnologia: Biomecanica

2 pdf biomecánica del pie por Fernando Chico Ruiz

3 EM Consulte, Biomecánica del hueso. Aplicación al tratamiento de las fracturas

4Huesos y tejidos musculares, ecuaciones

5 Biomecanica del tejido Oseo; Klgo. Lic. MS. Francisco Guede R.

6 Estenorraquis Lumbar, Enzo Mantelli L.Traumatólogo, Especialista en Columna,

Hospital de la Fuerza Aérea de Chile, Integramédica

Figure 4 Toma sup. Enzo Mantelli L.

aumento en la presión venosa, lo cual reduce la perfusión tisular de ésta.21

La prevalencia de esta afección, la cual se incrementa a medida que la población envejece, se ha reportado entre 1,7% y 8% de la población general.21

La compresión neural que se produce puede provocar dolor radicular, trastornos de la marcha, alteraciones esfinterianas, motoras o sensitivas y claudicación neural.

Analizando la biomecánica normal de la columna lumbar, la resistencia al cizallamiento depende de las facetas articulares en 33% y del disco intervertebral en 67%.11, 25 La resistencia a la flexión depende de los ligamentos supra e interespinosos en 19%, de los ligamentos facetarios capsulares en 39%, del disco en 29%, y el resto depende de los tejidos blandos, especialmente de la musculatura. Para considerar las curvas asociadas a la raquiestenosis lumbar, los parámetros normales son una cifosis torácica de 25% a 55º con vértice en T6-T7, y una lordosis lumbar de 40% a 70º, con vértice en L3-L4.21

La patogenia de la raquiestenosis lumbar serían los cambios degenerativos del complejo triarticular (disco intervertebral más las dos articulaciones facetarias de ese nivel),23 secundarios a lesiones repetitivas rotacionales y compresivas. El disco intervertebral sufre roturas anulares radiales y circunferenciales, disrupción discal interna, pérdida de altura y protrusiones. Las articulaciones facetarias se ven sometidas a sinovitis, destrucción del cartílago articular y formación de osteofitos, con laxitud capsular, inestabilidad o subluxación.3 El ligamento amarillo puede presentar hipertrofia o abombamiento hacia el canal raquídeo, contribuyendo a estrecharlo aún más.23

Reumatología 2006;

Figure 5 Toma Lateral. Enzo Mantelli L.

En el tratamiento ortopédico es fundamental el compensar patologías generales, como la hipertensión arterial y la diabetes, lo que redundará en mejorar la perfusión tisular de las raíces de la cauda equina. También es muy importante la educación del paciente. Se le debe instruir en técnicas de postura, sedestación, incorporación, dormir y conducir vehículos. El reposo en cama se utiliza sólo en caso de dolor muy intenso y durante un período no mayor de dos a cuatro días. Apenas ceden el dolor y la contractura se debe iniciar un programa de ejercicios más fisioterapia. Con los ejercicios se busca aumentar el soporte externo del cuerpo por fortalecimiento de la musculatura abdominal y paravertebral. Se utilizan pautas de ejercicios isométricos en flexión y de hiperextensión.

La laminectomía es el estándar de oro como tratamiento de la raquiestenosis lumbar, produce un menor sangramiento con tiempo operatorio más reducido, pero puede ser aplicada como procedimiento único sólo en columna estable y fija en raquiestenosis central.6

Conclusiones

En la actualidad, ya existen distintas ramas de la biomecánica desarrolladas, sin embargo existen algunas que tienen un desarrollo pobre, con la implementación de estas técnicas en la medicina, se podrían resolver muchos casos de deficiencias musculares y/o óseas, reparar malformaciones y devolver la movilidad y/o estabilidad de una persona que haya sufrido un accidente.

La biomecánica, integra diversas ramas de la técnica y la medicina, las cuales en combinación, sirven para el desarrollo de una nueva ciencia, como he mencionado anteriormente, la biomecánica deja un amplio campo de estudio, con diversas ramas y estas a su vez con distintas variantes, y para ello se necesitan conocimientos anatómicos y/o fisiológicos, dependiendo el caso de aplicación.

Para este caso de biomecánica osea, desde mi punto de vista, es la rama que mas aplicaciones tiene, ya que tan solo con pruebas de resistencia de materiales y toxicidad de los mismos dentro del cuerpo, se podrían reparar deformaciones de los huesos, reemplazando la zona afectada por diversas aleaciones de metal, haciendo que la persona afectada recupere su movilidad o su estabilidad osea.

Referencias bibliográficas

[1] pdf. Biomecánica del pie por Fernando Chico Ruiz

[2] High Throughtput Screening.

[3] EM Consulte, Biomecánica del hueso. Aplicación al tratamiento de las fracturas

[4] Apuntes Master en Ergonomía. Profesor Xavier Gil Mur "Estudio del Comportamiento

Mecánico del Aparato Locomotor"

[5] pdf biomecanica del tejido oseo, por Klgo. Lic. MS. Francisco Guede R.

Klgo. Lic. MS. © Juan Caamaño C.

[6] Yong-Hing K y Kirkaldy-Willis W. The pathophysiology of degenerative disease of the lumbar spine. Orthop Clin North Am 1983; 14:491-504.

[7] pdf esquerraquis lumbar

Enzo Mantelli L.

[8] http://www.conganat.org/iicongreso/conf/018/dinamica.htm

[10] Kostuik JP. Controversies in cauda equina syndrome and lumbar disc herniation. In Wiesel SW, Weinstein JN, Herkowitz H, et al (Eds.): The Lumbar Spine, ed 2. Philadelphia: WB Saunders, 1996, Vol 1, pp 582-587.

[11] Hench, L. L. y Polar, J. M. (2002). Third generation Biomedical Materials. Science, 295: 1014 – 1017.

[12] http://tecnalia.es/down/Salud_Tecnalia.pdf.

[13] pdf introduction a la biomecanica

Autor:

Jean Carlo Macancela

Grupo 2

Universidad Politécnica Salesiana