ESCUELA SUPERIOR INGENIERIA DE MECÁNICA Y
ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
ESTUDIO BIOMECÁNICO EXPERIMENTAL
DEL SISTEMA DUFOO PARA COLUMNA LUMBAR
LESIONADA
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
DOCTOR EN CIENCIAS
CON ESPECIALIDAD EN
INGENIERÍA MECÁNICA
P R E S E N T A EL :
M
. EN
C
.
Z
EFERINO
D
AMIAN
N
ORIEGA
DIRECTOR DE TESIS :
DR. GUILLERMO URRIOLAGOITIA CALDERON
COORDINACIÓN GENERAL DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
ACTA DE REVISIÓN DE TESIS
En la Ciudad de __México, D.F.__ siendo las __12:00__ horas del día ___03__ del mes de
_Marzo_ del _2003_se reunieron los miembros de la Comisión Revisora de Tesis designada
por el Colegio de Profesores de Estudios de Posgrado e Investigación de __la _
E.S.I.M.E
__
para examinar la tesis de grado titulada:__________________________________________
___________
”ESTUDIO BIOMECÁNICO EXPERIMENTAL DEL SISTEMA DUFOO______
_____________________PARA COLUMNA LUMBAR LESIONADA___________________
Presentada por el alumno:
______
DAMIAN______________NORIEGA_________ZEFERINO____________________
Apellido paterno materno nombre(s)
Con registro: 0 0 1 1 0 3
Aspirante al grado de:
___________________________
DOCTOR EN CIENCIAS
_________________________
Después de intercambiar opiniones los miembros de la Comisión manifestaron
SU
APROBACIÓN DE LA TESIS,
en virtud de que satisface los requisitos señalados por las
disposiciones reglamentarias vigentes.
LA COMISIÓN REVISORA
Director de tesis
_____________________________________ _____________________________________
DR. GUILLERMO URRIOLAGOITIA CALDERON DR. ALEXANDER BALANKIN
_____________________________________ _____________________________________
DR. VICTOR MANUEL DOMÍNGUEZ HERNÁNDEZ DR. MANUEL VITE TORRES
_____________________________________ _____________________________________
DR. GUILLERMO URRIOLAGOITIA CALDERON DR. ALEXANDER BALANKIN
EL PRESIDENTE DEL COLEGIO
_______________________________________
Capítulo
1
A
NATOM
í
A
Y BIOMECÁNICA DE
LA COLUMNA
1. A
NATOMÍA Y BIOMECÁNICA DE LA COLUMNA
La columna humana es una estructura anatómica compleja cuyas funciones principales son proteger la médula espinal y transferir cargas de la cabeza y el tronco a la pelvis; está compuesta por 29 vértebras: 7 cervicales que se identifican en dirección caudal como C1 a C7, 12 torácicas (T1 a T12), 5 lumbares (L1 a L5) y 5 sacrales fusionadas (S1 a S5). Cada vértebra se articula con las adyacentes para permitirle a la columna el movimiento en tres planos. Los discos intervertebrales y ligamentos le proporcionan la estabilidad intrínseca a la columna y los músculos circundantes le dan soporte extrínseco. En la figura 1.01 se muestra la porción lumbosacra de la columna humana, en donde pueden observarse los ligamentos longitudinal anterior (izquierda) y supraespinoso e interespinoso (derecha).
1.1. La unidad funcional dinámica de columna
La unidad funcional de la columna es el segmento de movimiento, que consiste de dos vértebras adyacentes (figura 1.02) y sus tejidos suaves respectivos.
La porción anterior del segmento está compuesta de dos cuerpos vertebrales, un disco intervertebral, dos placas terminales que separan el disco de los dos cuerpos vertebrales, y los ligamentos longitudinales anterior (figura 1.01) y posterior (figura 1.03).
Vista lateral izquierda.
La porción posterior está constituida por los pedículos o arcos vertebrales (figura 1.04), las articulaciones intervertebrales (formadas por las facetas), las láminas (figura 1.02), las apófisis transversas y espinosa (figuras 1.01 y 1.02), los ligamentos amarillos (figura 1.05), interespinoso y supraespinoso (figura 1.01).
Los cuerpos vertebrales, pedículos, láminas y ligamentos amarillos forman el canal o agujero vertebral (figuras 1.02 y 1.04), que protege a la médula espinal.
a. La porción anterior del segmento de movimiento
Los cuerpos vertebrales están diseñados para soportar cargas principalmente de compresión, y son progresivamente más grandes en dirección caudal: en la región lumbar son más gruesos y anchos que los de las regiones torácica y cervical; su mayor tamaño les permite soportar las cargas más grandes a las cuales está sujeta la columna lumbar.
Figura 1.02. Vista posterior del segmento de columna L3-L4
Figura 1.03. Vista posterior (corte) de la porción anterior del segmento L1-L2
El disco intervertebral tiene dos funciones: 1) soporta y distribuye cargas y 2) restringe el movimiento excesivo; la estructura interna del disco consiste de un núcleo pulposo, masa gelatinosa rica en glicosaminoglicanos hidrofílicos en el adulto joven, que disminuye con la edad y resulta progresivamente menos hidratada.
El núcleo está rodeado por un anillo fibroso como cubierta externa, compuesta de fibrocartílago; el arreglo entrecruzado de los haces gruesos (circunferenciales y radiales) de fibra de colágena dentro del fibrocartílago, le permite al anillo fibroso resistir altas cargas de flexión y torsión; la placa terminal está compuesta de cartílago hialino. Durante las actividades diarias el disco soporta cargas combinadas de compresión, flexión y torsión; la flexión, extensión y flexión lateral de la columna generan principalmente esfuerzos de tensión y de compresión en el disco, mientras que la rotación produce básicamente esfuerzo de corte.
Cuando un segmento de movimiento se secciona verticalmente, el núcleo pulposo del disco se protruye (sobresale), indicando que está bajo presión; mediciones de la presión intradiscal en núcleos pulposos lumbares de cadáver, normales y ligeramente degenerados, han mostrado una presión intrínseca de cerca de 10 N/cm2 en el disco sin
carga; dicha presión (o presfuerzo) es el resultado de las fuerzas ejercidas por los ligamentos longitudinales y amarillos. Cuando la columna está cargando, el núcleo pulposo actúa hidrostáticamente, permitiendo una distribución uniforme de presión en el disco; por tanto, el disco actúa como cojín entre los cuerpos vertebrales para almacenar energía y distribuir cargas.
observarse claramente los pedículos y agujero vertebral.
En un disco bajo carga de compresión, la presión ejercida sobre el núcleo es aproximadamente de 1.5 veces la carga externamente aplicada por unidad de área, mientras que el esfuerzo de compresión sobre el anillo fibroso es apenas aproximadamente de 0.50 veces, y debido a que el material del núcleo es solo ligeramente compresible, la carga de compresión ensancha lateralmente al disco, generándose en las fibras anulares un esfuerzo de tensión circunferencial; se ha estimado que en la parte posterior de los anillos fibrosos de la columna lumbar, dicho esfuerzo es de cuatro a cinco veces la carga compresiva axial aplicada (figura 1.06); en la columna torácica, el esfuerzo es menor debido a las diferencias en la geometría del disco. La degeneración de un disco reduce su contenido de proteoglicanos y por tanto su capacidad hidrofílica, y a medida que el disco se deshidrata, su elasticidad y su habilidad para almacenar energía y distribuir cargas disminuye gradualmente.
b. La porción posterior del segmento de movimiento
La porción posterior del segmento de movimiento sirve como guía para su movimiento; el tipo de movimiento posible en cualquier nivel de la columna está determinado por la orientación de las facetas de las articulaciones vertebrales a los planos transverso y frontal, dicha orientación cambia a través de la columna.
Excepto para las facetas C1 y C2, que son paralelas al plano transverso, las facetas de las articulaciones intervertebrales cervicales están orientadas a 45° del plano transverso y son paralelas al plano frontal (figura 1.07A); esta alineación permite flexión, extensión, flexión lateral y rotación. Las facetas de las articulaciones torácicas están orientadas a 60°
del plano transverso y a 20° del plano frontal (figura 1.07B); dicha orientación permite flexión lateral, rotación y algo de flexión y extensión.
Figura 1.05. Vista anterior (corte) de la porción posterior de la columna.
En la región lumbar las facetas son perpendiculares al plano transverso y a 45° del plano frontal (figura 1.07C); esta alineación permite flexión, extensión y flexión lateral, pero casi ninguna rotación. Las orientaciones facetarias anteriormente citadas son solo aproximaciones, ya que varían considerablemente dentro y entre individuos
.
Las articulaciones lumbosacras difieren de las articulaciones intervertebrales lumbares en que la orientación oblicua de las facetas permite rotación apreciable.
La distribución de carga entre las facetas y el disco varía con la posición de la columna; las cargas sobre las facetas son más grandes (aproximadamente son el 30% de la carga total) cuando la columna está hiperextendida y son también ampliamente grandes durante la flexión hacia delante combinada con rotación.
c. Los ligamentos de la columna
Las estructuras ligamentarias que rodean a la columna contribuyen a su estabilidad intrínseca (figuras 1.01, 1.03 y 1.05); excepto el ligamento amarillo, la mayoría tiene un alto contenido de colágena, que limita su extensibilidad durante el movimiento de la columna.
El ligamento amarillo (figura 1.05), que conecta longitudinalmente dos arcos vertebrales adyacentes, tiene un gran porcentaje de elastina; su elasticidad le permite contraerse durante la extensión de la columna y elongarse durante la flexión; aún cuando la columna está en una posición neutra, dicho ligamento está bajo tensión constante como resultado de sus propiedades elásticas; debido a que está localizado a una distancia del centro de movimiento en el disco, preesfuerza a éste, ya que junto con los ligamentos longitudinales crea una presión intradiscal y de este modo ayuda a proveer apoyo intrínseco a la columna.
Durante la flexión, los ligamentos interespinosos están sujetos a la mayor deformación (unitaria), seguidos por los ligamentos capsulares y los ligamentos amarillos; durante la extensión, es el ligamento longitudinal anterior el que soporta la deformación más grande.
En flexión lateral, el ligamento transverso contralateral sufre las mayores deformaciones, seguido por los ligamentos amarillos y los ligamentos capsulares, y durante la rotación, éstos soportan la deformación más grande.
1.2. Cinemática
El movimiento de la columna se produce por la acción coordinada de nervios y músculos, los músculos agónicos inician y conducen el movimiento, y los músculos antagónicos a menudo lo controlan y modifican; el rango de movimiento varía según el nivel de la columna, y depende de la orientación de las facetas de las articulaciones intervertebrales (figura 1.07).
El movimiento entre dos vértebras es pequeño y no ocurre independientemente; todos los movimientos de la columna involucran la acción combinada de varios segmentos de movimiento.
Las estructuras esqueléticas que influyen en el movimiento de la columna son la caja torácica, que limita el movimiento torácico, y la pelvis, que al inclinarse, aumenta los movimientos del tronco.
Respecto al plano transverso Respecto al plano frontal Vista isométrica de las Vista lateral derecha. Vista superior. facetas articulares
Figura 1.07. Orientación de las facetas de las articulaciones intervertebrales.
1.2.1. Movimiento segmental de la columna
Las vértebras tienen seis grados de libertad: rotación alrededor de y traslación a lo largo de un eje transverso, uno sagital y uno longitudinal; el movimiento producido durante la flexión, extensión, flexión lateral y rotación axial de la columna es un movimiento complejo combinado que resulta de la rotación y traslación simultáneas.
a. Flexión y extensión
Investigaciones de la columna toracolumbar muestran que el rango de flexión y extensión es aproximadamente de 4° en los segmentos de movimiento torácicos superiores, de casi 6° en la región torácica media, y de casi 12° en los segmentos torácicos inferiores; este rango se incrementa progresivamente en los segmentos de movimiento lumbares, alcanzando un máximo de 20° en el nivel lumbosacro (figura 1.08).
b. Flexión lateral
La flexión lateral muestra el rango más grande en los segmentos torácicos inferiores, de 8° a 9° ; en los segmentos torácicos superiores el rango es de 6° uniformemente, y 6° de flexión lateral se tienen también en todos los segmentos lumbares excepto en el segmento lumbosacro, que tiene solo 3° de movimiento (figura 1.08).
c. Rotación
La rotación es mayor en los segmentos superiores de la columna torácica, donde el rango es de 9°; el rango de rotación disminuye progresiva-mente en dirección caudal, alcanzando solo 2° en los segmentos inferiores de la columna lumbar, y luego se incrementa a 5° en el segmento lumbosacro, véase figura 1.08. Los músculos multifidus lumbar
cuyo origen se fija a la apófisis mamilar, y longissimus cuya inserción está fija al proceso accesorio, son los responsables en parte, de la rotación segmental, flexión lateral y extensión de la columna {Steffee}.
d. Movimiento relativo de dos superficies vertebrales adyacentes
El movimiento entre las superficies de dos vértebras adyacentes durante la flexión-extensión o flexión lateral puede analizarse por medio del método del centro instantáneo de rotación de Reuleaux.
Bajo condiciones normales, el centro instantáneo de la flexión-extensión y la flexión lateral en un segmento de la columna lumbar se sitúa dentro del disco (figura 1.09A), pero algunas circunstancias anormales tales como una degeneración pronunciada del disco pueden causar su desplazamiento hacia el exterior del disco (figura 1.09B).
1.2.2. Movimiento funcional de la columna
Debido a su complejidad, el movimiento de un solo segmento no puede medirse clínicamente; no pueden darse valores ni aún aproximados para el rango de movimiento de la columna normal debido a que las variaciones entre individuos son muy grandes. De hecho, el rango de movimiento en cada uno de los tres planos muestra una distribución Gaussiana, y depende mucho de la edad, disminuyendo casi el 50 % de la juventud a la edad adulta; también se han observado diferencias entre sexos: los hombres tienen mayor movilidad en flexión y extensión, mientras que las mujeres tienen mayor movilidad en flexión lateral.
a. Flexión-extensión
Los primeros 50° a 60° de flexión de la columna ocurren en la columna lumbar, principalmente en los segmentos de movimiento inferiores; la inclinación de la pelvis hacia delante permite flexión adicional (figura 1.10).
La columna torácica contribuye poco a la flexión de toda la columna debido a la orientación oblicua de las facetas (figura 1.07), a la orientación casi vertical de las apófisis espinosas y a la limitación de movimiento impuesta por la caja torácica.
Durante la flexión lateral del tronco, el movimiento puede predominar en la columna torácica o lumbar; en la primera, la orientación de las facetas permite la flexión lateral, pero la caja torácica la restringe.
Figura 1.09. Trayectoria del centro instantáneo para una columna: A) normal de cadáver, B) de cadáver con degeneración moderada del disco. Los centros instantáneos se determinaron para intervalos de 3° de
movi-miento, de extensión máxima a flexión máxima.
Figura 1.10. Los primeros 50° a 60° de flexión del tronco ocurren en la columna lumbar; se consigue flexión adicional mediante la inclinación de la pelvis hacia delante.
b. Flexión lateral y rotación
En los niveles torácico y lumbosacro se tiene una rotación axial significativa, pero en los niveles de la columna lumbar la rotación está muy limitada, siendo restringida por la orientación vertical de las facetas. En la región torácica la rotación está asociada de manera consistente con la flexión lateral; durante este movimiento combinado, que es mayormente marcado en la región torácica superior, los cuerpos vertebrales generalmente giran hacia la concavidad de la curva lateral de la columna. En la columna lumbar ocurre también la combinación de rotación y flexión lateral, con los cuerpos vertebrales girando hacia la convexidad de la curva.
Los movimientos funcionales del tronco no solo involucran un movimiento combinado de las diferentes partes de la columna sino también requieren la cooperación de la pelvis, ya que el movimiento pélvico es esencial para incrementar el rango de movimiento funcional del tronco.
Durante la caminata, los movimientos de la columna y pelvis en los tres planos – sagital, frontal y transverso - son necesarios para un ciclo de marcha suave y un consumo mínimo de energía; el patrón del movimiento pélvico en estos planos es complejo, y la relación entre los movimientos de la pelvis y los de la columna lumbar aún no se conoce completamente.
La restricción del movimiento en cualquier nivel de la columna (uso de tirantes ocorsets), puede incrementar el movimiento en otro nivel.
1.3. Cinética
Las cargas sobre la columna se producen primariamente por el peso corporal, actividad muscular, presfuerzos ejercidos por los ligamentos, y cargas externamente aplicadas; se pueden realizar cálculos aproximados de las cargas en los diversos niveles de la columna con el uso de la técnica simplificada del cuerpo libre para fuerzas coplanares.
Midiendo la presión intradiscal in vitro e in vivo, puede obtenerse información directa de las cargas sobre la columna al nivel de los discos intervertebrales individuales; debido a que este método es muy complejo para aplicación general, con frecuencia se utiliza un método de medición indirecta, midiendo la actividad mioeléctrica de los músculos del tronco y correlacionando esta actividad con valores calculados para las fuerzas de contracción muscular; los valores obtenidos se correlacionan bien con los que se obtienen con la medición de la presión intradiscal, así que dicho método puede utilizarse para predecir las cargas sobre la columna.
Otro método es el uso de un modelo matemático para la estimación de la fuerza, que permite calcular las cargas sobre la columna lumbar y las fuerzas de contracción en los músculos del tronco para varias actividades físicas; los valores calculados concuerdan bien con los que se obtienen por medio de los métodos de medición directa (de la presión intradiscal) e indirecta (actividad mioeléctrica).
Debido a que la columna lumbar es el área principal de sustentación de carga y el sitio más común de dolor, los estudios de cargas en la columna se han enfocado a esta región.
1.3.1. Estática
La columna puede considerarse como una barra elástica modificada debido a su flexibilidad, su comportamiento de absorción de choque de los discos y vértebras, la función de estabilización de los ligamentos longitudinales, y la elasticidad de los ligamentos amarillos. Las dos curvaturas de la columna en el plano sagital – cifosis y lordosis – contribuyen también a la capacidad tipo resorte de la columna y le permiten resistir cargas más altas que si fuera recta. El soporte extrínseco proporcionado por los músculos del tronco ayuda a estabilizar y modifica las cargas sobre la columna en situaciones dinámicas y estáticas.
a. Carga de la columna en posición recta
Cuando una persona está parada, los músculos posturales están constantemente activos; esta actividad se minimiza cuando los segmentos del cuerpo están bien alineados. En posición recta, la línea de gravedad del tronco generalmente pasa ventralmente al centro del cuarto cuerpo vertebral lumbar; de esta manera, cae ventralmente al eje transverso (eje de izquierda a derecha) del movimiento de la columna, y los segmentos de movimiento se ven sujetos a un momento flexionante actuando en el sentido del reloj (sentido positivo), que debe ser contrabalanceado por las fuerzas ligamentarias y de los músculos erectores de la columna (figura 1.11).
Cualquier desplazamiento de la línea de gravedad altera la magnitud y dirección del momento sobre la columna, y para que el cuerpo regrese al equilibrio, el momento debe ser contrarrestado por el incremento de la actividad muscular, lo que causa un balanceo postural intermitente.
Además de los músculos erectores de la columna, los músculos abdominales están con frecuencia intermitentemente activos para mantener la posición recta del tronco; la porción vertebral de los músculos psoas está involucrada también en producir el balanceo postural. El nivel de actividad en estos músculos varía considerablemente entre individuos y depende hasta cierto punto de la forma de la columna, por ejemplo, la magnitud de la cifosis y lordosis habituales.
Figura 1.11. La línea de gravedad del tronco (línea sólida) gene-ralmente está ventral al eje transverso (derecha-izquierda) de mo-
vimiento de la columna, y por tanto, la columna está sujeta a un momento flexionante constante positivo.
La pelvis influye también en la actividad muscular y cargas resultantes en la columna durante la posición de pie (figura1.12); la base del sacro está inclinada hacia delante y hacia abajo, y el ángulo de inclinación o ángulo sacro es aproximadamente de 30° respecto al plano transverso durante la posición de pie relajada (figura 1.12B); dicho ángulo cambia con la inclinación de la pelvis alrededor del eje transverso entre las articulaciones de cadera. Cuando la pelvis se inclina hacia atrás, el ángulo sacro disminuye y la lordosis lumbar se aplana (figura 1.12A), y este aplanamiento afecta a la columna torácica, que se extiende ligeramente para ajustar el centro de gravedad del tronco de tal manera que el consumo de energía, en términos de trabajo muscular, sea minimizado. Si la pelvis se inclina hacia delante, el ángulo sacro aumenta acentuándose la lordosis lumbar y la cifosis torácica (figura 1.12C). La inclinación de la pelvis hacia atrás y hacia delante influye en la actividad de los músculos posturales afectando las cargas estáticas sobre la columna.
b. Cargas comparativas sobre la columna lumbar durante la posición recta, sentada y reclinada
Figura 1.12. Efecto de la inclinación pélvica en la inclinación de la base del sacro (ángulo sacral) respecto al plano transverso durante la posición recta. A) La inclinación de la pelvis hacia atrás reduce el ángulo sacro y aplana la columna lum-bar. B) En posición recta relajada, el ángulo sacro es de aproximadamente 30° . C) La incli-nación de la pelvis hacia delante incrementa el ángulo sacro y acentúa la lordosis lumbar.
La flexión del tronco incrementa la carga aumentando el momento flexionante positivo en la columna; la inclinación de la
columna hacia delante hace que el disco se ensanche en el lado cóncavo de la curva espinal y se comprima en el lado convexo (figura 1.14); por tanto, cuando la columna es flexionada, el disco se protruye anteriormente y se retrae posteriormente, los dos esfuerzos, de tensión y compresión en el disco, se incrementan; la adición de movimiento de giro y cargas torsionales asociadas incrementa aun más los esfuerzos en el disco.
En la posición sentada relajada y sin apoyo, las cargas en la columna lumbar son más grandes que en posición recta relajada; en esta posición, la pelvis se inclina hacia atrás y la lordosis lumbar se extiende. La línea de gravedad para la porción superior del cuerpo, ya ventral a la columna lumbar, se desplaza más ventralmente, creando un mayor brazo de palanca para la fuerza ejercida por el peso del tronco (figura 1.15A, B); la actividad muscular del psoas contribuye también a las cargas en la región lumbar. Durante la posición sentada erecta, la inclinación de la pelvis hacia delante y un aumento en la lordosis lumbar, reduce las cargas en la columna lumbar, pero éstas exceden aún a las producidas durante la posición recta
relajada (figura 1.15C); durante esta posición sentada, particularmente si las rodillas están algo extendidas, los músculos flexores tensos pueden restringir la inclinación hacia delante de la pelvis y de este modo pueden causar un incremento en las cargas sobre la columna lumbar.
Figura 1.13. Comparación de las cargas relativas sobre el tercer disco lumbar en varias posiciones corporales respecto a la carga (100%) durante la posición recta.
Figura 1.14. La posición flexionada hacia delante produce un momento flexionante sobre la columna lumbar. El momento es el producto del peso (W) del cuerpo superior por el brazo de palanca (Lw). La inclinación hacia delante del cuerpo superior somete al disco a mayores esfuerzos de tensión y compresión; el disco se protruye en el lado compresivo y se retrae en el lado tensil.
En posición sentada, las cargas sobre la columna lumbar son más pequeñas con apoyo que sin apoyo, porque parte del peso de la porción superior del cuerpo está soportada por el respaldo; una inclinación hacia atrás del respaldo y el uso de un soporte lumbar reducen más las cargas. El uso de un soporte en la región torácica, sin embargo, que empuja la columna torácica y el tronco
hacia delante, hace que la columna lumbar se mueva hacia la cifosis para permanecer en contacto con el respaldo, incrementando las cargas sobre la columna lumbar (figura 1.16).
Figura 1.16. Influencia de la inclinación del respaldo y apoyo posterior sobre las cargas en la columna lumbar, en términos de la presión en el tercer disco lumbar. A) El respaldo está a 90° y la presión del disco es máxima. B) La adición de apoyo lumbar disminuye la presión del disco. C) La inclinación del respaldo 110° hacia atrás pero sin apoyo lumbar, produce menor presión discal. D) La adición de apoyo lumbar con este grado de inclinación del respaldo disminuye más la presión. E) El desplazamiento del apoyo a la región torácica empuja al cuerpo superior hacia delante, moviendo la columna lumbar hacia la cifosis e incrementando la presión del disco.
Las cargas en la columna son mínimas cuando un individuo asume una posición supina porque las cargas producidas por el peso corporal son eliminadas (figura 1.13); con el cuerpo supino y las rodillas extendidas, el jalón de la porción vertebral del músculo psoas produce algunas cargas en la columna lumbar. Sin embargo, con las caderas y rodillas flexionadas y apoyadas, la lordosis lumbar se endereza ya que el músculo psoas se relaja y las cargas disminuyen (figuras 1.17 y 1.18).
Estudios más recientes han proporcionado evidencia de que en la columna puede ocurrir microdaño como resultado de altas cargas in vivo; Hansson (1977) observó microfracturas en especímenes de vértebras lumbares humanas “normales” e interpretó este micro daño como fracturas por fatiga resultantes de esfuerzos y deformaciones en la columna in vivo. Correspondientemente, Hansson sugirió que las rupturas radiantes observadas en la parte posterior del anillo fibroso fueron el
resultado de tensión excesiva in vivo.
Figura 1.17. A) Cuando una persona se coloca en posición supina con las piernas rectas, el jalón de la porción vertebral del músculo psoas produce algunas cargas en la columna lumbar. B) Cuando las caderas y rodillas están flexionadas y apoyadas, el músculo psoas se relaja y las cargas sobre la columna lumbar disminuyen.
Figura 1.18. La posición semi-flexionada, que aplana la columna
lumbar, favorece una distribución más uniforme de la fuerza F de tracción; el jalón debe ser diagonal para mantener plana la columna, por tanto, no todo el jalón ejerce una fuerza horizontal; al
descom-poner la fuerza F en sus componen-tes horizontal Fx y vertical Fy, se demuestra que parte del jalón produce levantamiento; no se han considerado las fuerzas de
fricción.
Levantar y transportar un objeto a una distancia horizontal son situaciones comunes en las cuales las cargas aplicadas a la columna vertebral pueden ser tan altas como para dañar la columna. Varios factores influyen sobre las cargas en la columna durante estas actividades: (1) la posición del objeto relativa al centro de movimiento en la columna, (2) el tamaño, forma, peso, y densidad del objeto, y (3) el grado de flexión o rotación de la columna. Sostener el objeto cerca del cuerpo en vez de lejos, reduce el momento flexionante sobre la columna lumbar porque la distancia del centro de gravedad del objeto al centro de movimiento en la columna (brazo de palanca) es minimizada. A menor brazo de palanca para la fuerza producida por el peso de un objeto dado, menor es la magnitud del momento flexionante, y por tanto, menores cargas sobre la columna lumbar; la geometría del objeto y su peso y densidad influyen en las cargas sobre la columna.
Si se sostienen objetos del mismo peso, forma y densidad pero de tamaños diferentes, el brazo de palanca para la fuerza producida por el peso del objeto es más grande para el objeto más grande, y de esta manera el momento flexionante sobre la columna lumbar es mayor (figura 1.19).
Cuando una persona sosteniendo un objeto flexiona el cuerpo hacia delante, la fuerza producida por el peso del objeto más la producida por el peso de la porción superior del cuerpo crea un momento flexionante sobre el disco, incrementando las cargas sobre la columna. Este momento flexionante es mayor que el producido cuando la persona se para en posición recta mientras sostiene el objeto (figura 1.20).
Generalmente se recomienda levantar con las rodillas flexionadas y la espalda relativamente derecha para reducir las cargas sobre la columna; esta recomendación es válida solo si la técnica se usa correctamente.
movimiento; a pesar de las rodillas flexionadas, levantando la carga en esta forma, más que disminuirlo, se incrementa el momento flexionante (figura 1.21C).
Figura 1.19. El tamaño del objeto sostenido influye en las cargas sobre la columna lumbar. En estas dos situaciones, la distancia del centro de movimiento en el disco al frente del abdomen es de 20 cm; en ambos casos el objeto tiene una densidad uniforme y pesa 200 N. En el caso A el ancho del objeto cúbico es de 20 cm; en el caso B el ancho es de 40 cm. De este modo, en A el momento flexionante positivo que actúa sobre el disco lumbar más inferior es de 60 N.m, ya que el peso del objeto de 200 N actúa con un brazo de palanca Lp de 30 cm (200 N x 0.3 m). En B, el momento flexionante es de 80 N.m, ya que el brazo de palanca Lp es de 40
cm (200 N x 0.4 m).
18 Figura 1.20. La posición de la parte superior del cuerpo (PSC) durante el levantamiento de un objeto (O) influye en las cargas sobre la columna lumbar.
O = 200 N, PSC = 450 N en A: Lp = 30 cm, Lw = 2 cm en B: Lp = 40 cm, Lw = 25 cm En posición recta (A), el objeto crea un momento positivo de 60 N.m y la PSC de 9 N.m, el momento
flexionante total positivo es de 69 N.m. En posición flexionada (B), el objeto crea un momento positivo de 80 N.m y la PSC de 112.5 N.m, el momento flexionante total es de 192.5 N.m. Por tanto, en posición flexionada
(B) se incrementa mucho la importancia del peso de la PSC.
Figura 1.21. La técnica empleada durante el levantamiento influye en las cargas sobre la columna lumbar. En estas tres situaciones se levanta un objeto idéntico de 200 N. El caso A (parte superior del cuerpo flexionada hacia delante) es idéntico al caso B de la figura 1.20: el momento flexionante total positivo es de 192.5 N.m. En el caso B, levantando con las rodillas flexionadas y la espalda derecha, se coloca al objeto más cerca del tronco, disminuyéndose los momentos flexionantes positivos; los brazos de palanca de las fuerzas producidas por el peso del objeto (Lp) y de la parte superior del cuerpo (Lw) son acortados a 35 y 18 cm respectivamente, en este punto del proceso de levantamiento. El resultado es un momento flexionante total positivo de 151 N.m [(200 N x 0.35 m) + (450 N x 0.18 m)]. El caso C muestra que con las rodillas flexionadas no se disminuyen per se los momentos flexionantes positivos; si el objeto levantado es sostenido frente a las rodillas, los brazos de palanca de las fuerzas producidas por el peso del objeto (Lp) y de la parte superior del cuerpo Lw se incrementan a 50 cm y 25 cm respectivamente. De esta manera, el momento flexionante total positivo creado es de 212.5 N.m [(200 N x 0.5 m) + (450 N x 0.25 m)].
La fuerza W producida por el peso de la parte superior del cuerpo, calculada en 450 N (aproximadamente 65% de la fuerza ejercida por el peso total del cuerpo).
La fuerza P producida por el peso del objeto, de 200 N.
La fuerza M producida por la contracción de los músculos erectores de la columna, que tiene una dirección y punto de aplicación conocidos pero una magnitud desconocida.
Debido a que estas tres fuerzas actúan a una distancia del centro de movimiento en la columna, crean momentos en la columna lumbar. Los productos de W y P y su distancia perpendicular (sus brazos de palanca) al centro instantáneo (W.Lw y P.Lp), son dos momentos flexionantes positivos; el producto de M y su brazo de palanca (M.Lm) es un momento de contrabalanceo.
Los brazos de palanca Lw para W, Lp para P y Lm para M son de 0.25 m, de 0.40 m y de 0.05 m respectivamente. La magnitud de M puede encontrarse aplicando la ecuación de equilibrio para momentos; para que el cuerpo esté en equilibrio de momentos, la suma de los momentos que actúan en la columna lumbar debe ser cero. En este ejemplo, los momentos en el sentido del reloj se consideran positivos, y en el contrasentido del reloj negativos; por tanto:
Σ Momentos = 0
( W x Lw ) + ( P x Lp ) – ( M x Lm ) = 0
( 450 N x 0.25 m ) + ( 200 N x 0.4 m ) – ( M x 0.05 m ) = 0 112.5 N.m + 80 N.m = M x 0.05 m
Resolviendo esta ecuación para M , se obtienen 3,850 N.
La fuerza compresiva total C ejercida sobre el disco puede entonces calcularse por trigonometría (figura 1.22B). La fuerza C es la suma de las fuerzas compresivas que actúan sobre el disco, inclinado 35° respecto al plano transverso; dichas fuerzas son:
1. (W x cos 35°), producida por el peso W de la parte superior del cuerpo. 2. (P x cos 35°), producida por el peso P del objeto.
3. La fuerza M producida por los músculos erectores de la columna, que actúa aproximadamente en un ángulo recto a la inclinación del disco.
La fuerza compresiva total C actuando sobre el disco tiene un sentido, punto de aplicación, y línea de aplicación conocidos, pero una magnitud desconocida, que puede determinarse con el uso de la ecuación de equilibrio de fuerzas. Para que el cuerpo esté en equilibrio de fuerzas, la suma de ellas debe ser igual a cero:
Σ fuerzas = 0
(W x cos 35°) + (P x cos 35°) + M - C = 0
(450 N x cos 35°) + (200 N x cos 35°) + 3,850 N - C = 0
368.5 N + 163.8 N + 3,859 N – C = 0
Figura 1.22. Texto en página siguiente. Texto de la figura 1.22
A. Tres fuerzas principales actúan sobre la columna lumbar en el nivel lumbosacro:
La fuerza producida por el peso de la parte superior del cuerpo (W), 450 N.
La fuerza producida por el peso del objeto (P), 200 N.
La fuerza producida por los músculos erectores de la columna (M), magnitud desconocida.
W y P y sus distancias desde el centro instantáneo generan dos momentos flexionantes en el sentido del reloj, W.Lw y P.Lp. son generados por W y P y sus distancias desde el centro instantáneo. El brazo de palanca (Lp) para P es de 40 cm, y el brazo de palanca (Lw) para W es de 25 cm. El momento contrabalanceador, M.Lm, es producido por M y su distancia al centro instantáneo; el brazo de palanca Lm es de 5 cm. La magnitud de M se encuentra resolviendo la ecuación de equilibrio que establece que la suma de todos los momentos debe ser igual a cero:
( 450 N x 0.25 m ) + ( 200 N x 0.4 m ) – ( M x 0.05 m ) = 0 112.5 N.m + 80 N.m = M x 0.05 m
M = 3,850 N.
B. A W y P se les determinan sus componentes compresivas, W x cos 35 y P x cos 35 respectivamente, y sus componentes de corte, W x sen 35 y P x sen 35. La fuerza total de reacción compresiva (C) que actúa sobre el disco puede entonces determinarse con funciones trigonométricas. La magnitud de C se encuentra resolviendo la ecuación de equilibrio que establece que la suma de todas las fuerzas debe ser igual a cero:
( 450 x cos 35° ) + ( 200 x cos 35° ) + 3,850 - C = 0 C = 4,382 N
Del mismo modo, se determina la componente de corte (S) para la fuerza de reacción sobre el disco:
(450 x sen 35°) + (200 x sen 35°) - S = 0 S = 373 N
Puesto que C y S forman un ángulo recto, puede utilizarse el teorema de Pitágoras para encontrar la fuerza total de reacción (R) sobre el disco:
R = ( C2 + S2)1/2
R = 4,398 N
La dirección α de R se determina mediante una función trigonométrica: sin α = C / R , α = 85°
De este modo, la línea de aplicación de R forma un ángulo de 85° con la inclinación del disco.
C. El problema puede resolverse gráficamente un diagrama de vectores basado en los valores conocidos. Primero se dibuja una línea vertical que represente (W + P); se añade M con un ángulo recto al disco de inclinación, y R cierra el triángulo. Se mide la dirección de R con relación al disco.
D. Cuando se conocen la magnitud y dirección de la fuerza de reacción R, R pueden determinarse sus fuerzas componentes compresiva C y de corte S, dibujando un paralelogramo con R como diagonal. S, que representa principalmente el efecto de resistencia al corte del disco y los
elementos posteriores del segmento de movimiento, es proporcionalmente bastante pequeño en este ejemplo, pero aumenta con la inclinación del disco.
Los cálculos hechos en esta manera para un punto en el tiempo durante el levantamiento, son valiosos para demostrar cómo afectan a las cargas impuestas sobre la columna, los brazos de palanca de las fuerzas producidas por los pesos de la parte superior del cuerpo y del objeto.
El uso de los mismos cálculos para determinar las cargas producidas cuando un objeto de 80 kgf es levantado (representando una fuerza de 800 N) da una carga aproximada de 10,000 N sobre el disco, que probablemente excede el punto de fractura de la vértebra.
Puesto que los atletas que levantan pesas pueden fácilmente alcanzar tales cargas calculadas sin sufrir fracturas, otros factores tales como la presión intra-abdominal, pueden estar involucrados en la reducción de las cargas sobre la columna in vivo. El efecto de la presión intra-abdominal en la reducción de las cargas sobre la columna lumbosacra se ha demostrado mediante cálculos basados en datos de mediciones de la presión intra-abdominal.
Usando cálculos del área de la sección transversal abdominal y de la distancia perpendicular de la pared muscular al proceso espinoso de L5, Eie y Wehn (1962) convirtieron la presión abdominal a un momento que sustituyeron en una ecuación para todos los momentos que actúan sobre el disco. Concluyeron que en los atletas, las cargas sobre la columna producidas por la contracción del músculo erector fueron reducidas hasta el 40% por la presión intra-abdominal; sin embargo, es difícil encontrar apoyo para estos cálculos en estudios posteriores.
Durante el levantamiento moderado, la reducción de las cargas sobre la columna debido a la presión intra-abdominal no se ha demostrado que alcance valores de tal magnitud, al contrario, se cree que el efecto de dicha presión es despreciable cuando se involucran posiciones estáticas o cuando la columna está moderadamente flexionada; sin embargo, en la mayoría de los estudios se acepta que la presión intra-abdominal aumenta al incrementarse la flexión hacia delante del tronco y con un peso mayor de la carga levantada. Se encuentran también valores más altos durante el levantamiento dinámico (cuando se involucran fuerzas de aceleración) que en un punto estático durante el levantamiento. Particularmente en la fase inicial del levantamiento, justo en el punto cuando el peso de la carga es casi superado, la presión intra-abdominal se incrementa grandemente y probablemente influye más en la estabilización de la columna y en la moderación de las fuerzas compresivas intervertebrales.
Se ha sugerido que los músculos abdominales transverso y oblicuo proveen la actividad muscular que se requiere para crear la presión; sin embargo, posiblemente el papel de estos músculos se enfatiza demasiado, ya que el mecanismo alterante de la presión no está bien determinado.
en cualquier situación de levantamiento, el momento flexionante debe ser contrabalanceado por la actividad de los músculos posteriores.
Los músculos y ligamentos están involucrados en grados variables cuando se utilizan diferentes técnicas de levantamiento; por ejemplo, un jalón estático de una magnitud dada, desde una distancia corta del piso, requiere menor actividad del músculo de la espalda cuando se utiliza el método de levantamiento-espalda (rodillas rectas y tronco flexionado, en este caso más de 60°) (figura 1.23A) que cuando se usa el método de levantamiento-piernas (rodillas flexionadas y espalda recta) (figura 1.23B). Sin embargo, esto no significa que el método de levantamiento-espalda genera menos carga sobre la columna lumbar en este punto en el proceso de levantamiento.
Aunque los estudios electromiográficos han mostrado que se requiere menor actividad muscular para contrabalancear la parte superior del cuerpo cuando el tronco es flexionado más de 60°, los ligamentos deben soportar una tensión mayor en este punto para mantener esta posición del cuerpo; los músculos erectores de la columna y posteriores de la cadera, extendidos, ayudan también a mantener esta posición.
Al inicio del proceso de levantamiento, la pelvis se inclina hacia atrás y la extensión lumbar se retrasa; de esta manera, la actividad del músculo de la espalda es baja, sin embargo, cuando la columna comienza a extenderse, los músculos incrementan su actividad para contrarrestar el momento flexionante positivo.
Puesto que las fuerzas producidas por los ligamentos generalmente tienen brazos de palanca más cortos que los de las fuerzas musculares, la carga sobre los ligamentos puede resultar extremadamente alta si la columna no es estabilizada por las contracciones musculares; de esta manera, para proteger los ligamentos y la columna, los músculos de la espalda deberían estar activos al inicio del levantamiento, pero no debería ocurrir ningún movimiento dentro de la columna hasta que la fase inicial de levantamiento es completada, esto es, hasta que se vence la inercia de la carga.
Figura 1.23. En dos jalones estáticos de la misma magnitud desde una distancia corta del piso, la actividad de los músculos erectores de la columna (señalados con flechas) varía con la técnica de levantamiento utilizada. En A (rodillas derechas y cuerpo superior flexionado más de 60°), la actividad del músculo de la espalda es menor que en caso B (rodillas flexionadas y espalda derecha). Sin embargo, esto no significa que en A se produzca menos carga sobre la columna, porque en este caso el momento flexionante positivo es también contrabalanceado por
fuerzas ligamentarias. En B, los ligamentos están relajados y la fuerza contrabalanceadora es proporcionada principalmente por la contracción muscular; así se protege a los ligamentos contra
las deformaciones excesivas. Por otra parte, la flexión acentuada de las rodillas somete a sus articulaciones a pesadas cargas e incrementa la demanda sobre los músculos de las piernas, que están en una posición desfavorable para ejercer la fuerza requerida para levantar el cuerpo.
El movimiento de la columna en el justo inicio del levantamiento, incrementa los esfuerzos sobre el segmento de movimiento. La columna lumbar provee menor resistencia a las fuerzas flexionantes que a las fuerzas compresivas; este hallazgo sugiere que es preferible una posición vertical de la columna durante el levantamiento, que previene el acuñado de los discos. Las mediciones in vivo han demostrado también que la presión discal en la columna lumbar se incrementa cuando el tronco es cargado en flexión lateral o en flexión combinada con rotación axial.
1.3.2. Dinámica
Casi todo el movimiento del cuerpo incrementa las cargas sobre la columna lumbar; este incremento es modesto durante actividades tales como la caminata lenta o la rotación fácil, pero resulta más marcado durante varios ejercicios. En un estudio de la caminata normal con cuatro velocidades, las cargas compresivas en el segmento de movimiento L3-L4 variaron de 0.2 a 2.5 veces el peso corporal (figura 1.24) (Cappozzo, 1984); las cargas fueron máximas durante el apoyo del talón y se incrementaron aproximadamente de modo lineal con la velocidad de la caminata, y la acción muscular se concentró principalmente en los extensores del tronco. Las características individuales de la caminata, particularmente la cantidad de flexión del tronco hacia delante, influyó en las cargas; a medida que la flexión fue mayor, mayores fueron las fuerzas musculares y por tanto, la carga compresiva.
Figura 1.24. Carga axial sobre el segmento de movimiento
Durante los ejercicios de fortalecimiento de los músculos abdominal y erector de la columna, las cargas sobre la columna pueden ser altas; mientras tales ejercicios tengan que ser efectivos para fortalecer dichos músculos, deberían realizarse de tal manera que las cargas sobre la columna sean adecuadas para satisfacer la condición de la espalda del individuo. Los músculos erectores de la columna son intensamente activados arqueando la espalda en la posición prona (figura 1.25A); cargando la columna en posiciones extremas tales como la anterior, se producen grandes esfuerzos sobre las estructuras de la columna, por tanto, dicha posición hiperextendida debería evitarse.
Es preferible una posición inicial que mantenga las vértebras en una alineación más paralela cuando se realicen ejercicios para el fortalecimiento de los músculos erectores de la columna (figura 1.25B). El levantamiento bilateral de las piernas rectas comúnmente se usa como un ejercicio de fortalecimiento muscular abdominal, pero este ejercicio activa poco los músculos abdominales. Por lo contrario, la porción vertebral del músculo psoas produce más actividad y tiende a jalar la columna lumbar hacia la lordosis.
Realizando levantadas desde una posición supina, con las caderas y rodillas flexionadas para limitar la actividad del psoas, se activan de manera efectiva los músculos abdominales pero se incrementa grandemente la presión del disco lumbar; la carga sobre la columna lumbar se disminuye si se limita el rango de movimiento del ejercicio, tal limitación se consigue con encorvamiento del tronco, levantando la cabeza y los hombros hasta el punto en que éstos se despeguen del piso, y el movimiento de la columna lumbar es así minimizado (figura 1.26). Se ha mostrado que esta modificación es bastante efectiva en términos de reforzamiento de la unidad motriz en los músculos; todas las porciones de los músculos oblicuo externo y recto abdominal son activados.
Figura 1.25. A) Arqueando la espalda en la posición prona, se activan grandemente los músculos erectores de la columna, pero también se producen grandes esfuerzos sobre los discos lumbares, que son cargados en una posición extrema. B) Si se disminuye el arco de la espalda colocando un cojín bajo el abdomen, los discos resisten mejor los esfuerzos, puesto que las vértebras están alineadas entre sí; en esta posición, es preferible el ejercicio isométrico. Figura 1.26. Al realizar un encorvamiento hasta
el punto donde solo los hombros se despeguen del piso, se minimiza el movimiento lumbar, y la carga sobre la columna lumbar es menor que cuando se hace una levantada completa. Se produce un momento mayor si se levantan los brazos arriba de la cabeza o se entrelazan las
manos atrás del cuello, ya que el centro de gravedad de la parte superior del cuerpo se desplaza entonces más lejos del centro de movimiento de la columna.
Un encorvamiento contrario, donde las rodillas se acercan hacia el pecho y las asentaderas se levantan del piso, activa los músculos oblicuos internos y externos y el músculo recto abdominal. Si el encorvamiento contrario se realiza isométricamente, la presión del disco es más baja que la producida durante un levantamiento, pero el ejercicio solo es muy efectivo para el fortalecimiento de los músculos abdominales (figura 1.27).
Figura 1.27. Un encorvamiento contrario, isométricamente realizado, proporciona entrenamiento eficiente de los músculos abdominales y produce esfuerzos moderados sobre los discos lumbares. Las cargas relativas sobre el tercer disco lumbar durante un levantamiento completo y un encorvamiento isométrico se comparan con la carga durante la posición recta, considerada como del 100%.
Referencias del capítulo 1
1. Nordin M., Frankel VH. Basic biomechanics of the musculoskeletal system. Second Edition. 1989. Lea & Febiger. U.S.A.
Capítulo
2
E
STUDIOS EXPERIMENTALES Y
NUMÉRICOS RELATIVOS A LA
COLUMNA HUMANA
2. ESTUDIOS NUMERICOS Y EXPERIMENTALES RELATIVOS A LA
COLUMNA HUMANA
Los siguientes son todos estudios relativos a la columna humana o de animales, o de partes componentes, y se han clasificado en dos grupos:
2.1. Estudios experimentales
Efecto del mantenimiento de carga sobre los discos intervertebrales lumbares: generación de concentraciones de esfuerzos [1].
Propiedades tensiles del anillo fibroso lumbar humano no degenerado [4].
El efecto de la torsión en las articulaciones intervertebrales lumbares: la función de la torsión en la producción de la degeneración del disco [5].
Dependencia de las propiedades a la falla en corte del hueso trabecular de la densidad aparente y orientación trabecular [6].
Un nuevo transductor para la medición de la fuerza facetaria en la columna lumbar: punto de referencia y resultados de ensayos in vitro [8].
Rigidez dinámica in vivo de la columna lumbar porcina expuesta a carga cíclica: influencia de la carga y degeneración [9].
Comportamiento mecánico del hueso trabecular dañado [10]. Este artículo es de interés para entender la mecánica de la fractura de una vértebra.
Nueva técnica para el estudio tridimensional de la columna in vitro e in vivo usando un sistema de análisis de movimiento [14].
2.2. Estudios que incluyen la aplicación del método del elemento finito.
Análisis de la respuesta de deslizamiento poro-elástico de un segmento de movimiento lumbar en compresión [2].
Estimación de las fuerzas musculares del tronco utilizando el método del elemento finito y cargas in vivo medidas por dispositivos telemetrizados de fijación interna de columna [3].
Investigación de las características de vibración de los ligamentos de la columna lumbar utilizando el método del elemento finito [7].
Características biomecánicas de los segmentos de movimiento vertebral y discos intervertebrales [11]
Modelo de elemento finito Poro-Elástico-Hinchado con aplicación al disco interverte-bral [12].
Modelado geométrico y mecánico 3D de la columna lumbar (con el método del elemento finito) [13].
Efecto de la pérdida de fluido en el comportamiento visco-elástico del disco Intervertebral lumbar en compresión [15].
Modelado (con elemento finito) de la articulación facetaria como problema de contacto móvil no lineal: estudio de la sensitividad en la respuesta facetaria lumbar [16].
Predicción de las cargas y patrones de fractura para secciones vertebrales mediante el análisis con elemento finito basado
en la tomografía computarizada [17].
Este estudio detalla el modelado geométrico con elemento finito de secciones vertebrales humanas, a partir de imágenes tomográficas para predecir cargas de falla y patrones de fractura. La validación se realizó utilizando 9 columnas toracolumbares de cadáver humano, sin patologías esqueléticas obvias, tomándose de cada una dos cuerpos vertebrales (T12 y L1).
Figura 2.02. Modelado con elemento finito de un segmento de movimiento de columna.
Referencias del capítulo 2
1. Adams MA, McMillan DW, Green TP, Dolan P. Sustained Loading Generates Stress Concentrations in Lumbar Intervertebral Discs. Spine Vol. 21, Nr. 4, pp. 434-438, 1996].
2. Argoubi M., Shirazi-Adl. Poroelastic Creep Response Analysis of a Lumbar Motion Segment in Compression. J. Biomechanics, Vol.29, No.10, pp. 1331-1339, 1996.
3. Calisse J, Rohlmann A, Bergmann G. Estimation of trunk muscle forces using the finite element method and in vivo loads measured by telemeterized internal spinal fixation devices. Journal of Biomechanical 32 (1999) 727-731.
4. Ebara SE, Iatridis JC, Setton LA, Foster RJ, Mow VC, Weindenbaum M. Tensile Properties of Nondegenerate Human Lumbar Anulus Fibrosus. Spine Vol. 21, Nr. 4, pp. 452-461, 1996].
5. Farfan HF, Cossette JW, Robertson GH, Wells RV, Kraus H. The effect of torsion on the lumbar intervertebral joints: The role of torsion in the production of disc degeneration. J Bone Joint Surg 52A:468-497, 1970.
6. Ford CM, Keaveny TM. The Dependence of Shear Failure Properties of Trabecular Bone on Apparent Density and Trabecular Orientation. J. Biomechanics, Vol. 29, No. 10, pp. 1309-1317, 1996.
7. Goel VK, Park H, Kong W. Investigation of Vibration Characteristics of the Ligamentous Lumbar Spine Using the Finite Element Approach. Transactions of the ASME, Journal of Biomechanical Engineering, November 1994, Vol. 116, pp. 377-383.
8. Hedman TP. A New Transducer for facet force measurement in the lumbar spine: benchmark and in vitro test results. J. Biomechanics Vol. 25, No. 2, pp. 69-80, 1992.
9. Kaigle A, Ekström L, Holm S, Rostedt M, Hansson T. In Vivo Dynamic Stiffness of the Porcine Lumbar Spine Exposed to Cyclic Loading: Influence of Load and Degeneration.
Journal of Spinal Disorders Vol. 11, No. 1, pp. 65-70, 1998.
10. Keaveny TM, Wachtel EF, Guo XE, Hayes WC. Mechanical Behavior of Damaged Trabecular Bone. J. Biomechanics, Vol. 27, No. 11, pp. 1309-1318, 1994].
11. Kulak RF, Schultz AB, Belytschko T, Galante J. Biomechnical Characteristics of Vertebral Motion Segments and Intervertebral Discs. Symposium on the Lumbar Spine. Orthopedic Clinics of North America, Vol. 6 No. 1, January 1975.
13. Lavaste F, Skalli W, Robin S, Roy-Camille R, Mazel C. Three-Dimensional
Geometrical and Mechanical Modeling of the Lumbar Spine. J Biomechanics Vol. 25, No. 10, pp. 1153-1164, 1992.
14. Liu XC, Fabry G, Labey L, Van Den Berghe L, Van Audekercke R, Molenaers G, Monees P. A New Technique for the Three-Dimensional Study of the Spine In Vitro and In Vivo by Using a Motion-Analysis System. Journal of Spinal Disorders, Vol. 10, No. 4, pp. 329-338, 1997.
15. Lu YM, Hutton WC, Gharpuray VM. The Effect of Fluid Loss on the Viscoelastic Intervertebral Disc in Compresión. Transactions of the ASME, Journal of Biomechanical Engineering, February 1998, Vol. 120, 48-54.
16. McBroom RJ, Hayes WC, Edwards WT, Goldberg RP, White III AA. Prediction of Vertebral Body Compressive Fracture using Quantitative Computed Tomography. The Journal of Bone and Joint Surgery, Vol. 67-A, No. 8, October 1985.
16. Sharma M, Langrana NA, Rodríguez J. Modeling of Facet Articulation as a Nonlinear Moving Contact Problem: Sensitivity Study on Lumbar Facet Response. Transactions of the ASME, Journal of Biomechanical Engineering, February 1998, Vol. 120, pp. 118-125.
17. Silva Matthew J., Keaveny Tony M., and Hayes Wilson C. Computed Tomography-Based Finite Element Analysis Predicts Failure Loads and Fracture Patterns for Vertebral Sections. J Orthop Res. Vol. 16, No. 3, 1998.
Capítulo
3
PATOLOGIAS DE LA COLUMNA Y
TRATAMIENTO ORTOPÉDICO CON
SISTEMAS DE FIJACIÓN INTERNA
3. P
ATOLOGÍAS
DE LA COLUMNA Y TRATAMIENTO ORTOPÉDICO CON
SISTEMAS DE FIJACIÓN INTERNA
3.1. Patologías de la columna
Los cuadros patológicos que afectan a la columna vertebral humana pueden ser: deformidades, lesiones degenerativas, lesiones tumorales y lesiones traumáticas (fracturas).
3.1.1. Deformidades
Las deformidades de la columna son la escoliosis, la cifosis y la hiperlordosis.
a. Escoliosis
Es una deformidad en tres dimensiones que combina una pérdida de la forma sagital normal, una curva frontal y una rotación de las vértebras (figura 3.01). La escoliosis fue descrita por primera vez en el siglo V antes de Cristo por Hipócrates y los términos de escoliosis, cifosis y lordosis que describen las deformidades de columna, se han acreditado a Galen (131 - 201). La escoliosis puede ser congénita, degenerativa, idiopática o iatrogénica.
Ambrose Pare (1510 - 1590) describió por primera vez la escoliosis congénita y apreció la compresión de la medula espinal como una causa posible de la paraplejía; al igual que Hipócrates, creía que la escoliosis era el resultado de posturas incorrectas.
Figura 3.01. Escoliosis de columna, y medición de la concavidad entre jorobas
de costillas (lado derecho). [Cortesía de Stryker México].
Las deformidades escolióticas se han clasificado según la
I. Escoliosis lumbar. Cuando es la columna lumbar la que está curvada hacia cualquier lado del plano sagital.
II. Escoliosis toracolumbar. Tanto la columna lumbar como la columna torácica están curvadas hacia uno y otro lado respectivamente del plano sagital.
III. Escoliosis torácica. La columna torácica está curvada hacia la izquierda o derecha del plano sagital.
IV. Escoliosis torácica mayor. La curva de la columna torácica es más grande.
V. Escoliosis de doble curva. Tanto la columna torácica como la columna lumbar están curvadas.
La escoliosis degenerativa ocurre típicamente en pacientes mayores de 60 años y es secundaria a la degeneración del disco y pérdida de estabilidad de la articulación facetaria [9].
b. Cifosis
La cifosis es un incremento patológico de la flexión hacia delante, formando una curva mayor que la normal, que vista por la espalda se observa como una joroba (figura 3.03). La causa de la cifosis puede ser una deformidad congénita de las vértebras, manejo insatisfactorio de un trauma, o la enfermedad de Sheuerman.
c. Hiperlordosis
Es una curva de la columna hacia atrás, mayor que la curva lordótica normal.
Figura 3.02. Clasificación de King para la escoliosis: I. Escoliosis lumbar, II. Escoliosis toracolumbar, III. Escoliosis torácica, IV. Escoliosis torácica mayor, y V. Escoliosis de doble curva. [Cortesía de Stryker México].
3.1.2. Lesiones degenerativas
Las lesiones degenerativas de la columna lumbar pueden iniciarse en el disco o en las uniones facetarias; la progresión de las lesiones afecta al disco, a las apófisis articulares y a los ligamentos, generando herniación del disco, inestabilidad lumbar, estenosis de columna, espondilolistesis y espóndilolisis.
a. Hernia de disco
La herniación del disco se debe a la generación de microfisuras en el anillo fibroso a causa de los esfuerzos continuos; dichas microfisuras dan lugar a la pérdida de hidrofilismo y como consecuencia, fracturas del anillo, por lo que parte del núcleo se sale (se protruye) y comprime la cauda equina y/o las raíces nerviosas (figura 3.04).
b. Inestabilidad lumbar
La inestabilidad de la columna lumbar se inicia por la degeneración del disco, envejecimiento y modificación de las articulaciones, y debilidad de los ligamentos, dando lugar a movimientos ligeros pero anormales de las vértebras que causan dolor en la espalda baja [10].
Un porcentaje significativo de fusiones lumbares (> 30%) se realiza para el tratamiento de la inestabilidad segmental; en tanto que la inestabilidad puede ser obvia con las fracturas y dislocaciones por fractura de la columna espinal, la definición de inestabilidad, si se aplica a desórdenes degenerativos, continúa aún siendo controvertida [9].
Figura 3.03. Cifosis de la columna: flexión excesiva de la columna torácica, que se aprecia como una joroba. [Cortesía de Striker México].
Figura 3.04. Estenosis de columna en el nivel cervical causada por una hernia del disco (señalada por la flecha). Cortesía de Stryker México.
dinámicas (flexión y extensión y flexión lateral). Comúnmente se acepta que hipermovilidad o inestabilidad es cuando se tiene una traslación mayor de 4 mm y/o un movimiento angular mayor de 10° entre placas extremas adyacentes sobre radiografías en flexión lateral y extensión cuando se comparan con niveles proximales o distales adyacentes [9].
c. Estenosis de columna
Es el estrechamiento del canal medular y el foramen, causado por la herniación del disco (véase figura 3.05); pueden verse involucrados diferentes procesos: adelgazamiento de los ligamentos posterior y amarillo, abultamiento de las masas articulares degenerativas y osteofitis alrededor de las placas extremas . En la población anciana, la estenosis de columna es el resultado de cambios degenerativos que ocurren naturalmente en la columna lumbar: pérdida de integridad de las cápsulas facetarias, hipertrofia y subluxación facetaria, adelgazamiento del ligamento amarillo, y estrechamiento de los recesos laterales. Estos cambios pueden ocurrir en un paciente anciano cuya columna está bien balanceada en los planos frontal y sagital [9]. Alternativamente, la estenosis de columna puede estar asociada con espondilolistesis degenerativa, listesis lateral, escoliosis degenerativa y/o cifosis [9].
d. Espondilolistesis
Es el deslizamiento de una vértebra sobre otra, y clásicamente se conocen cinco tipos de espondilolistesis: degenerativa, displásica, ístmica o lítica, patológica y traumática [9]. Los tipos más frecuentes son las degenerativas y las ístmicas; la espondilolistesis degenerativa es una condición adquirida y es causada por degeneración del disco e inestabilidad segmental y rotacional [9]. Generalmente la espondilolistesis se presenta en los segmentos L3-L4, L4-L5 y L5-S1 (figura 3.05) [2]. La espondilolistesis se clasifica de acuerdo con la cantidad de deslizamiento entre la esquina posterior de la placa extrema de L5 y la esquina posterior de la placa extrema de S1; la relación cantidad de deslizamiento / ancho sagital de la placa extrema de S1 (%) da el grado de la espondilolistesis: Grado 1 (< 25%), Grado 2 (25% a 50%), Grado 3 (50% a 75%), Grado 4 (75% a 100% ), véase figura 3.06.
e. Espóndilolisis
Es la disolución de una vértebra; es un estado caracterizado por platispondilia, aplasia del arco vertebral y separación de la porción interarticular [3].
3.1.3. Lesiones tumorales
De acuerdo con su naturaleza, los tumores de columna se clasifican como: benignos, primarios y metastásicos (malignos); según su localización, se clasifican en tumores óseos y extra-óseos. Estos tumores causan debilidad mecánica de la columna y posteriormente fracturas, comprimen la médula espinal o las raíces nerviosas y son causa frecuente de disfunción severa del aparato locomotor [7].
a. Tumores benignos
Los tumores anteriores benignos comunes incluyen el hemangioma (un tumor que invade el cuerpo vertebral, figura 3.07), el granuloma eosinofílico, y el tumor de células gigantes; un tumor de células gigantes tiene una prognosis generalmente menos favorable que otras lesiones benignas debido a su naturaleza localmente agresiva y a su propensión a la recurrencia [1]. Los tumores posteriores benignos incluyen el osteoma osteoide, osteoblastoma y quiste óseo aneurismal; una lesión localizada en el elemento posterior en un paciente joven tiene una probabilidad alta de ser benigno [1].
b. Tumores primarios
Estos tumores son lesiones no tan comunes comparadas con los
tumores metastásicos, representando menos del 10% de
todos los tumores óseos [1]. Es útil conocer los sitios comunes y trayectorias de metástasis de los tumores primarios malignos comunes [1]:
Figura 3.05. Izquierda: radiografía lumbar lateral mostrando inestabilidad debida a espondilolistesis en L3-L4 y L4-L5; en extensión, la traslación anterior mide 8 mm y 13 mm respectivamente. Derecha: radiografía lumbar lateral en flexión; la traslación anterior mide 12 mm y 16 mm en L3-L4 y L4-L5 respectivamente [9].
Figura 3.06. El deslizamiento de L5 respecto a S1 da el grado de la espondilolistesis (izquierda). A la derecha se muestra una
Figura 3.07. Hemangioma: tumor benigno que invade al cuerpo vertebral y comprime a la médula espinal. Cortesía de Stryker México.
Los de mama se propagan típicamente a la columna torácica vía el sistema azigo.
Los de próstata usualmente se propagan a la columna lumbosacra o la pelvis vía el plexo venoso pélvico.
Los de pulmón pueden entrar a la vena pulmonar, después al corazón y finalmente invaden a todo el esqueleto.
Los tumores de colon y recto entran al sistema portal y pueden propagarse primero al pulmón e hígado y después al esqueleto.
En una revisión [11] de tumores primarios de columna, se encontró que el 66% de todas las lesiones se localizaron en el cuerpo vertebral y el 34% en los elementos posteriores; el 76% de todos los tumores del cuerpo vertebral fueron malignos en comparación con solo el 36% de las lesiones en los elementos posteriores. Los tumores primarios malignos comunes incluyen plasmacitoma, cordoma, condrosarcoma, y linfoma; los menos comunes son el sarcoma de Ewing, fibrosarcoma, y el tumor maligno de células gigantes [1].
c. Tumores metastásicos
El término metástasis fue acuñado por Recamier en 1829 para indicar la deposición distante de células tumorales primarias; los sitios iniciales comunes donde aparecen los tumores metastásicos (o malignos) son los pulmones, el hígado, mamas, próstata, riñón, tiroides y el esqueleto, siendo la columna el sitio esquelético más común de la metástasis [1]. Las lesiones asociadas con tumores primarios de mama, próstata, riñón y tiroides, y lesiones asociadas con linfomas y mielomas, dan origen al 75% de todas las metástasis de columna, y si se incluye el cáncer de pulmón, el porcentaje es hasta del 90%. Las metástasis se encuentran hasta en el 90% de los pacientes que mueren de cáncer [1].
Primeramente se ve afectado el cuerpo vertebral, el cual está involucrado en el 85% de las metástasis de columna, es decir, comúnmente se ve afectado 7 veces más que los elementos posteriores; antes de que una lesión ósea pueda detectarse con una simple radiografía, debe estar presente una pérdida ósea del 30 al 50%, de aquí que la radiografía rutinaria es relativamente insensible para la detección temprana de lesiones óseas [1]. Las lesiones que afectan a la cortical pueden detectarse más temprano que las lesiones medulares, y algunas condiciones como el mieloma [1].
Los tumores metastásicos de la columna cervical pueden originarse por cáncer primario de próstata, cáncer renal, cáncer folicular de tiroides y fibrosarcoma de endometrio; para el diagnóstico de estos tumores al paciente se le realiza tomografía axial computarizada (TAC) y resonancia magnética nuclear (RMN). El tumor afecta principalmente al cuerpo vertebral, y a los pedículos y procesos facetarios, pero puede invadir al canal raquídeo y también a tejidos blandos adyacentes [4].
Harrington ha clasificado la metástasis según la extensión del compromiso neurológico o destrucción ósea, la clasificación es útil porque también tiene implicaciones terapéuticas [1]:
Clase I - sin compromiso neurológico.
Clase II - con implicación ósea pero sin colapso o inestabilidad.
Clase III - con daño neurológico mayor sin implicación ósea significativa.
Clase IV - tiene colapso vertebral o inestabilidad pero sin compromiso neurológico significativo.
Clase V - caracterizada por colapso vertebral o inestabilidad con implicación neurológica mayor.
Debido a que la mayoría de las metástasis implica más al cuerpo vertebral que a los elementos posteriores, puede ocurrir una compresión anterior eventual de la médula espinal y pueden estar presentes síntomas motores tempranos [1]; la rapidez de desencadenamiento de la debilidad motora es proporcional a la prognosis, con una paresia rápidamente progresiva teniendo una prognosis pobre a pesar del tipo de tratamiento [1].
La localización de un tumor de columna puede dar una pista de la probabilidad de ser benigno o maligno; cuando un tumor se localiza en el cuerpo vertebral de un paciente anciano, lo más probable es que no solo sea maligno sino también que sea una lesión metastásica hasta que no se demuestre lo contrario [1].
En el curso de las metástasis torácicas espinales, la disfunción neurológica aparece tempranamente debido a la estrechez relativa del canal espinal torácico y al delicado suministro vascular medular en esta área; generalmente, la parálisis está precedida por algunas semanas de aumento de dolor, que se percibe usualmente entre los hombros y con un patrón de dolor irradiado circunferencialmente alrededor del tronco [4].
Los tumores de la columna lumbar o lumbosacra pueden originarse por cáncer de próstata en el hombre (p.e. en L2 y L5-S1) y por carcinoma cervicouterino en la mujer (p.e. en L5) [4].
