Instrumental techniques of diagnosis and assessment in rehabilitation: Study of walking

Técnicas instrumentales de diagnóstico y evaluación en rehabilitación: estudio de la marcha

Instrumental techniques of diagnosis and assessment in rehabilitation: Study of walking

J Chaler Vilaseca ^a, R Garreta Figuera ^a, B Müller <sup>b

a</sup> Laboratorio de Biomecánica Mutua Egara. Terrassa. Hospital Mútua de Terrassa. Barcelona.
^b Hospital Mútua de Terrassa. Barcelona.

Palabras Clave

Análisis del movimiento en 3 dimensiones. EMG dinámica. Marcha. Rehabilitación.

Keywords

3D motion analysis. Dynamic EMG. Gait. Rehabilitation.

Resumen

La marcha es una de las actividades de la vida diaria humana más importantes. A menudo, en los centros de rehabilitación el objetivo fundamental del tratamiento es restablecer o mejorar la capacidad de marcha. La eficacia de un tratamiento reside en la capacidad no sólo de determinar las causas fisiopatológicas, sino de determinar las disfunciones y discapacidades y actuar sobre ellas. Los sistemas modernos de análisis del movimiento en 3 dimensiones (3D) con plataformas de fuerza ofrecen la posibilidad de obtener datos objetivos cinemáticos (movimientos) y, lo que es de sumo interés, cinéticos (momentos de fuerza y potencias) de todas las articulaciones a lo largo de las diferentes fases de la marcha. Estos datos son de gran utilidad para describir mecanismos íntimos que subyacen en las alteraciones de la marcha. En efecto, disponer de información sobre las fuerzas que se generan en cada momento en las diferentes articulaciones permite establecer de una manera precisa qué papel tienen los elementos activos (músculos con sus hiperactividades y debilidades) y pasivos (tendones, huesos, ligamentos, cápsulas articulares y músculos con relación a acortamientos o laxitudes) en las alteraciones de la marcha. De hecho, en estos momentos y en práctica clínica, ya hay consenso en cuanto a la utilidad del análisis del movimiento en 3D para la planificación y monitorización del tratamiento de los trastornos de la marcha en pacientes con parálisis cerebral y espasticidad. También, y por extensión, es de gran utilidad para orientar el tratamiento de pacientes neurológicos en general con alteraciones de la marcha. Tampoco es desdeñable su utilidad en pacientes ortopédicos, campo en que puede tener una gran expansión. Finalmente, no hace falta destacar su gran importancia en el ámbito de la investigación básica y aplicada en rehabilitación. No hay número de revista científica de rehabilitación en que no aparezca algún artículo que muestre resultados de experimentos analizados con sistemas de análisis del movimiento.

Abstract

Walking is one of the most important daily human life activities. The fundamental objective of treatment in rehabilitation centers is after reestablishing or improving walking capacity. Efficacy of a treatment is found in the capacity not only of determining physiopathological causes but determining the dysfunctions and incapacitates and act on them. Modern 3 dimensional (3D) motion analysis systems with force plate offer the possibility of obtaining kinematic objective data (movements), and, of greater interest, kinetic data (torques and power) of all the joints during the different walking phases. These data are very useful to describe intimate mechanisms that underlie walking disorders. In effect, having information on the forces that are generated in each moment in the different joints makes it possible to establish precisely what role the active (muscles with their hyperactivities and/or weaknesses) and passive (tendons, bones, ligaments, articular capsules and muscles in relationship to shortening or laxitudes) elements generate in walking alterations. In fact, at present and in the clinical practice, there is already consensus regarding the utility of 3D motion analysis for planning and monitoring treatment of walking disorders in patients with cerebral palsy and spasticity. Furthermore, by extension, it is very useful to orient the treatment of neurology patients in general with walking disorders. Its utility in orthopedic patients, a field in which there may be great expansion, is also not insignificant. Finally, it is not necessary to stress its great importance in the scope of basic and applied research in rehabilitation. There is no scientific rehabilitation journal in which some article does not appear showing results of experiments done with movement analysis systems.

Artículo

INTRODUCCION

Conceptos básicos
La familiarización con algunos conceptos básicos y la terminología actualmente establecida son fundamentales para la comprensión del análisis del movimiento. La marcha es un movimiento cíclico, por tanto al analizarla normalmente nos referimos a lo que se llama un ciclo de la marcha o zancada (secuencia de acontecimientos que tiene lugar entre el contacto inicial de un pie hasta el siguiente contacto inicial). Para este ciclo, Perry¹ definió unas fases, períodos y tareas que constituyen un marco teórico estructurado y sistemático para describir la marcha normal y patológica (fig. 1). Como muestra la figura el ciclo de la marcha se divide en dos fases (apoyo y oscilación), tres tareas (aceptación del peso, apoyo monopodal y avance de la extremidad) y ocho períodos (contacto inicial, respuesta a la carga, apoyo medio, apoyo terminal, preoscilación, oscilación inicial, oscilación media y oscilación terminal). Los sucesos en el curso del ciclo de la marcha se definen secuencialmente con relación al porcentaje del total del ciclo. Así, el contacto inicial ocurre en el 0 y el 100 % del ciclo. Durante la marcha normal el despegue del antepié ocurre en alrededor del 60 % del ciclo, así la fase de apoyo representa aproximadamente el 60 % del ciclo y la fase de oscilación el 40 %. El despegue del antepié y contacto inicial del pie contralateral ocurren en el 10 y 50 % del ciclo, respectivamente. Por tanto, durante la marcha hay dos períodos de doble soporte, cada uno de los cuales ocupa aproximadamente el 10 % del ciclo. El primer período de soporte doble ocurre inmediatamente después del contacto inicial y el segundo justo antes del despegue del antepié. La respuesta a la carga es un período de desaceleración en el que el impacto se absorbe. Va seguido por un período de apoyo monopodal que ocupa aproximadamente el 40 % del ciclo durante el cual la extremidad contralateral realiza su fase de oscilación. Por tanto, en la marcha normal el período de apoyo monopodal de un lado corresponde exactamente a la fase de oscilación del contralateral. Al final de la fase de apoyo tenemos el segundo período de doble apoyo que corresponde al de preoscilación. Éste abarca aproximadamente del 50 % del ciclo al despegue de antepié. Del mismo modo se corresponde de manera exacta con el período de respuesta a la carga contralateral. Como la marcha normal es simétrica, es importante recordar las relaciones mencionadas para tener una imagen mental de donde está la extremidad contralateral en el ciclo. El período de apoyo monopodal se divide en apoyo medio y terminal. Durante el período de apoyo medio el centro de masa del cuerpo se desacelera a medida que alcanza su cenit y pasa por delante de la base de soporte. Durante el período de apoyo terminal, el centro de masa está enfrente de la base de apoyo y se acelera a medida que desciende hacia delante y el lado en oscilación. Durante este período de aceleración una cantidad de energía equivalente a la perdida anteriormente debe ser devuelta al ciclo si se quiere mantener una marcha regular. Esto se consigue aprovechando un mecanismo parecido al del péndulo, de manera que los músculos están en su máxima activación al principio y al final de las fases de apoyo y oscilación. Parece que sus acciones principales son las de acelerar y desacelerar los movimientos pendulares de las piernas ².

Fig. 1.--Fases del ciclo de la marcha. El ciclo de la marcha consta de las dos fases de apoyo y oscilación, las tres tareas funcionales de aceptación del peso, apoyo monopodal y avance de la extremidad y de ocho períodos: contacto inicial, respuesta a la carga, apoyo medio, apoyo terminal, preoscilación, oscilación inicial, oscilación media y oscilación terminal.

Prerrequisitos de la marcha normal
Perry, en 1985 ³, definió cuatro prerrequisitos que habitualmente se pierden en la marcha patológica. Estos son en orden de importancia:
1. Estabilidad en la fase de apoyo.
2. Suficiente espacio para avanzar el pie durante la fase de oscilación.
3. Preposicionamiento adecuado del pie durante y al final de la fase de oscilación.
4. Una longitud del paso adecuada.
5. Conservación de energía, más global y añadido por Gage en 1991 ⁴.
La estabilidad en la fase de apoyo se ve amenazada por dos factores principalmente:
1. En proporción hay más masa en el hemicuerpo superior, de manera que el centro de masa es alto (aproximadamente delante de S2).
2. La marcha altera continuamente la alineación de los diferentes segmentos.
Durante la marcha, el centro de la masa del cuerpo, que estaba dentro de la base de soporte durante la bipedestación, se mueve hacia delante con cada paso de una base de soporte a la siguiente. Esto significa que el cuerpo debe cambiar constantemente la posición del tronco en el espacio para mantener el equilibrio.
Así, la estabilidad en la fase de apoyo implica más que un pie estable. Además de requerir un pie estable sobre el suelo, se requiere: a) una función coordinada de todas las articulaciones de la extremidad inferior para asegurar un correcto avance de la extremidad contralateral; b) el mantenimiento del equilibrio; c) proporcionar propulsión, y d) asegurar el posicionamiento correcto de las estructuras superiores.
El espacio correcto para desplazar el pie en la fase de oscilación requiere: a) un adecuado posicionamiento y potencia del tobillo, rodilla y cadera del lado contralateral; b) adecuada flexión dorsal del tobillo, flexión de la rodilla y cadera en el lado de oscilación; c) estabilidad del pie de apoyo, y d) equilibrio adecuado.
El preposicionamiento del pie al final de la fase de oscilación necesitada: a) equilibrio adecuado del cuerpo; b) estabilidad, potencia y posicionamiento correcto de la extremidad de apoyo, y c) dorsiflexión de tobillo adecuada, equilibrio entre musculatura invertora y eversora y posicionamiento correcto de la rodilla y del pie.
Una longitud adecuada del paso requiere: a) equilibrio del cuerpo adecuado; b) una extremidad de apoyo estable y posicionada correctamente; c) flexión de cadera y rodilla adecuadas en la extremidad que oscila, y d) inversión, eversión y dorsiflexión neutra del pie en la extremidad que oscila.
Finalmente, la conservación de energía requiere, en la medida de lo posible: a) que la estabilidad de las articulaciones se consiga por las fuerzas de reacción del suelo y los ligamentos y no con los músculos; b) una excursión del centro de masa lo más pequeña posible en todos los planos, y c)optimización de las fuerzas musculares. La optimización de las fuerzas implica una serie de factores: utilizar al máximo la contracción excéntrica de los músculos durante la marcha; utilizar al máximo la energía de estiramiento de tendones y músculos que es devuelta como energía cinética y la transferencia de energía mediante músculos biarticulares ².
Todos los prerrequisitos de la marcha pueden verse afectados por situaciones patológicas que desequilibran, preactivan, acortan o debilitan los músculos, limitan los recorridos articulares, provocan torsiones óseas, etc. En el entorno de la medicina de rehabilitación es de interés capital poder objetivar el comportamiento dinámico de estos fenómenos para planificar, monitorizar y optimizar una eventual intervención rehabilitadora. Los sistemas de análisis del movimiento cuantitativos nos dan datos fundamentales para interpretar los fenómenos enumerados. Con ellos se pueden obtener datos cinemáticos (movimiento de los diferentes segmentos del cuerpo y de las articulaciones) cinéticos (acerca de los momentos de fuerza y potencias que se generan) y, finalmente, datos sobre la activación muscular mediante la electromiografía (EMG) dinámica.

SISTEMAS DE ANALISIS DEL MOVIMIENTO. LABORATORIO
El análisis del movimiento es el proceso de medir objetivamente los patrones de movimiento de los pacientes, identificar alteraciones, postular causas y recomendar tratamientos. Para ello se requiere disponer de un laboratorio de análisis del movimiento. Éste consiste habitualmente en un sistema de captura de movimiento en tres dimensiones, unas plataformas para medir la fuerza de reacción del suelo y electromiografía de superficie como sistemas fundamentales. Estos sistemas deben integrarse para obtener la información necesaria para su aplicación clínica.

Sistema de captura de movimiento en 3D. Fotogrametría
El procedimiento para capturar el movimiento de un sujeto requiere, según el tipo de sistema, colocar unos marcadores pasivos (reflectantes) o activos (emisores) en puntos anatómicos preestablecidos (fig. 2) relacionados con un modelo biomecánico. Cuando un sujeto instrumentado deambula a través del pasillo de marcha, las localizaciones de los marcadores son detectadas por un número variable de cámaras instaladas alrededor del pasillo. Los datos de las cámaras se procesan mediante un programa para determinar la localización de los diferentes marcadores en el espacio. Los datos del posicionamiento en el espacio de los diferentes marcadores permiten calcular matemáticamente la orientación de los diferentes segmentos en el espacio así como los ángulos entre los segmentos, es decir, los ángulos articulares. Generalmente los programas de los sistemas generan unos gráficos de posición-tiempo de los marcadores y, al mismo tiempo, una figura humanoide que reproduce los movimientos registrados (fig. 3). Estos datos constituyen los valores cinemáticos (referentes al movimiento) y nos permiten, asimismo, calcular los parámetros temporales básicos (velocidad de la marcha, longitud del paso y zancada y cadencia). No obstante, quizá los datos más interesantes desde el punto de vista clínico son los referentes a los recorridos de las diferentes articulaciones a lo largo de la marcha. Normalmente se representan en una gráfica normalizada a un ciclo de la marcha. Habitualmente se superponen diferentes ciclos capturados y, en diferente color, el lado derecho y el izquierdo (fig. 4).

Fig. 2.--Paciente instrumentado con marcadores activos y electrodos de EMG dinámica caminando por el pasillo de marcha. El paciente pisa una plataforma de fuerza camuflada en el piso del pasillo. Las emisiones de los marcadores son recogidas por unas cámaras (esquina superior derecha de la figura) para ser procesadas.

Fig. 3.--Obtenida después de procesar los datos recogidos de un sujeto mediante el sistema de análisis del movimiento en 3D.

Fig. 4.--Gráfica de la cinemática del tobillo normal. Se aprecia el ciclo con la fase de apoyo y la fase de oscilación diferenciadas y las líneas que representan el recorrido articular en grados del tobillo a lo largo de las dos fases.

Plataformas de fuerza
Las plataformas de fuerza insertadas en el pasillo de marcha obtienen las fuerzas de reacción del suelo entre éste y el sujeto. Estas fuerzas reactivas tienen 3 componentes: vertical, cizallamiento anteroposterior y mediolateral. El punto de aplicación de la fuerza de reacción bajo el pie del sujeto se denomina comúnmente centro de presión. Los datos de la plataforma de fuerza se pueden analizar directamente (fig. 5), aunque lo más interesante es usarlas, conjuntamente con los datos cinemáticos, para calcular las fuerzas y potencias que se generan en las diferentes articulaciones. El procedimiento analítico que se utiliza para calcular los momentos de las articulaciones se denomina dinámica inversa. A partir de las fuerzas de reacción del suelo, combinadas con varias medidas antropométricas que se realizan en el paciente dirigidas a calcular los centros de las articulaciones y los datos cinemáticos obtenidos mediante el sistema de análisis del movimiento en 3D, se calculan los momentos de fuerza que se generan en las articulaciones y las potencias, que se pueden entender como la velocidad a que se producen estos momentos de fuerza ^5,6. La potencia puede ser positiva o negativa. Los registros positivos reflejan contracciones musculares concéntricas. Los registros negativos reflejan contracciones musculares excéntricas o absorción de energía por componentes elásticos (fig. 6).

Fig. 5.--Datos de una plataforma de fuerza. Se representan la fuerza vertical, medio-lateral y anteroposterior.

Fig. 6.--Datos cinéticos del tobillo en el plano sagital. A) Momento de fuerza, en situación normal a lo largo de la fase de apoyo hay un aumento paulatino de la fuerza de flexión plantar en el tobillo que disminuye abruptamente en el período de apoyo terminal. B) Potencias: después de una pequeña generación de potencia en el contacto inicial, hay una absorción de energía (gráfica negativa) durante el período de apoyo medio. En el período de apoyo terminal hay una generación de potencia positiva para realizar la propulsión.

Electromiografía dinámica
Electrodos aplicados sobre la piel o insertados en los músculos con técnicas de cable fino dan información sobre la activación muscular, es decir, en qué momento del ciclo son activos o no los músculos analizados. Esta información debe contrastarse con la obtenida en condiciones normales en individuos sanos (fig. 7).

Fig. 7.--Diagrama de activación normal de los músculos de las extremidades inferiores.

Los sistemas de análisis del movimiento normalmente emiten un informe con las gráficas y registros electromiográficos ordenados (fig. 8).

Fig. 8.--Informe de paciente normal emitido por sistema de análisis del movimiento.

USO DEL ANALISIS DEL MOVIMIENTO CUANTITATIVO. EJEMPLOS

Pie equino
La flexión plantar excesiva o pie equino, tanto en la fase de apoyo como en la fase de oscilación es una de las disfunciones de la marcha en pacientes con lesiones neurológicas. Se pueden identificar diferentes causas:
1. Actividad inapropiada (generalmente hiperactividad) de sóleo, gemelos y tibial posterior.
2. Acortamiento de complejo gemelos, sóleo, tendón de Aquiles.
3. Debilidad de los dorsiflexores.
Para planificar el tratamiento es de alto interés determinar el impacto funcional del patrón. Por ejemplo, una excesiva flexión plantar durante la fase de apoyo puede inhibir el avance tibial e interferir en la progresión necesaria para una marcha eficiente. La flexión plantar excesiva durante la fase de oscilación puede suponer un riesgo aumentado de tropiezos y caídas. En este caso la EMG dinámica es muy útil para identificar actividad inapropiada de los flexores plantares, o bien una ausencia de activación de los flexores dorsales que traduciría una debilidad de los mismos o un acortamiento de los flexores plantares (fig. 9). Los mecanismos compensatorios también deben ser evaluados, como por ejemplo excesiva flexión de cadera o bien excesiva basculación pélvica. Cabe considerar igualmente la posibilidad de que la flexión plantar excesiva se trate de una compensación en casos de debilidad de los extensores de rodilla. En este caso, se puede objetivar mediante análisis cuantitativo del movimiento un momento flexor de la rodilla muy disminuido en la fase de apoyo inicial ⁷.

Fig. 9.--Paciente con pie equino izquierdo: A) evaluación con EMG dinámica antes de tratamiento, en que se aprecia una hiperactivación inapropiada de los gemelos (arriba) durante la fase de oscilación e inhibición del tibial anterior (abajo). B) Evaluación después de tratamiento (infiltración local de gemelos con toxina botulínica) en que se aprecia una activación apropiada del tibial anterior (abajo) y práctica normalización del patrón de activación de los gemelos.

En caso de espasticidad dinámica hay patrones que identifican muy claramente el problema. El patrón de doble pico (double bump) (fig. 10) se asocia muy íntimamente a la presencia de espasticidad de flexores plantares, clonus y un contacto inicial en punta o plano. Este patrón cinético del tobillo se ha asociado a un protocolo de tratamiento específico ⁸. Es remarcable que este patrón se puede dar incluso en ausencia de espasticidad en la exploración estática, como en la paciente de la figura 10. De ahí la importancia de disponer del sistema de análisis cuantitativo del movimiento, que puede detectar y definir las repercusiones de la espasticidad dinámica, difícilmente evaluables de otro modo.

Fig. 10.--Paciente de 8 años afectada de diplejía espástica. La exploración física estática solamente mostraba un ligero acortamiento de los gemelos sin espasticidad objetivable. La gráfica del movimiento muestra un patrón en doble bache, al igual que las gráficas que representan el momento de fuerza y la potencia (gráficas normales en las figuras 4 y 6).

Recurvatum dinámico de rodilla
El recurvatum dinámico de rodilla se define como la hiperextensión de la misma durante la fase de apoyo. Es una entidad frecuente en pacientes neurológicos. Se ha estimado que aproximadamente la mitad de los pacientes afectados de traumatismos craneoencefálicos y accidentes cerebrovasculares desarrollan un recurvatum dinámico en su evolución ^9,10. El recurvatum se genera típicamente por la combinación de debilidad del cuádriceps, espasticidad de los flexores plantares, acortamiento de los gemelos, espasticidad del cuádriceps y debilidad de los gemelos. El recurvatum puede ser una adaptación o compensación ventajosa para estabilizar una articulación que, de otro modo, devendría inestable. El problema del recurvatum es que puede suponer un momento de fuerza de extensión muy aumentado en la rodilla que sobrecarga las estructuras capsulares y ligamentosas posteriores de la rodilla. Esta sobrecarga puede desembocar en lesión con dolor, laxitud y deformidad ósea, lo cual añade más dificultad en la marcha. Kerrigan et al ¹¹ realizaron un estudio en pacientes con recurvatum. Observaron que en algunos pacientes se generaba un momento de fuerza de extensión de rodilla muy elevado y en otros no. Así, en los primeros el recurvatum suponía una sobrecarga y, por tanto, su tratamiento era prioritario. Por el contrario, en el caso de los segundos, el recurvatum constituye una adaptación razonable que no supone ninguna sobrecarga y, por tanto, no se debería tratar a priori (fig. 11). Esta información sólo la podemos obtener con un sistema de análisis del movimiento en 3D.

Fig. 11.--Gráficas de cinemática y cinética de pacientes con recurvatum de rodilla. A) Momento de extensión aumentado. B) Momento de extensión no aumentado. C) Paciente normal.

Gonartrosis y varo de rodilla: evaluación de tratamiento con cuñas
La gonartrosis y especialmente la afectación del compartimento interno es una entidad muy frecuente. La alineación de las extremidades inferiores tiene mucho que ver con el desarrollo de gonartrosis en el compartimento interno, de manera que una alineación en varo y torsión tibial interna suponen un aumento del momento de fuerza en varo ¹². En este contexto la utilización de cuñas externas en el pie es una aproximación lógica. A pesar de que hay algunos estudios clínicos que hablan de mejora del dolor con cuñas externas ^13-15, sólo hay un artículo ¹⁶ que evalúa el efecto de las mismas en el momento de varo, es decir, en la causa fundamental del problema. Efectivamente, el uso de las cuñas de 5° y 10° hacía descender el momento de varo. En la práctica clínica habitual, el análisis del movimiento puede servir para identificar el problema, planificar el tratamiento y evaluar su efecto (fig. 12).

Fig. 12.--Paciente afectado de lesión condral en compartimento interno de rodilla izquierda. Análisis cinético del momento de fuerza en varo antes y después de tratamiento con cuñas externas. A) Antes; se observa varo de rodilla izquierda y un momento de fuerza en varo aumentado del lado izquierdo. B) Después del tratamiento; se observa una disminución del varo en el lado izquierdo y disminución del pico momento de varo en la gráfica de momentos de varo. La gráfica se hace simétrica.

CONCLUSION
El análisis del movimiento en 3D es la única técnica exploratoria dinámica de la marcha que da información objetiva y contrastable del movimiento y de las fuerzas y potencias que subyacen en el mismo. Esta información es muy útil en virtualmente todos los pacientes que requieren rehabilitación por una alteración de la marcha. Actualmente esto implica un uso restringido en el ámbito de la investigación pero en un futuro próximo probablemente se generalizará como una exploración complementaria habitual en rehabilitación de pacientes neurológicos y ortopédicos.

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