EVALUACIÓN PRELIMINAR DE LA MARCHA EN INDIVIDUOS SANOS

Díaz Novo, Carlos 

López Rios, Nibardo 

Montoya Pedrón, Arquímedes 

Carvajal Fals, Hipólito

Los MSc. Carlos Díaz Novo y Nibardo López Ríos son respectivamente Investigador y Tecnólogo 1er nivel en el Centro de Biofísica Médica, Patricio Lumumba s/n, Santiago de Cuba, CP 90500, Telef. 53226631424, fax 5322632545, correos electrónicos cdiaznovo@yahoo.es y nibardo@cbm.uo.edu.cu. 

El especialista Arquímedes Montoya Pedrón es Investigador Jefe del Servicio de Neuropsicología del Hospital Clínico Quirúrgico “Dr. Juan Bruno Sayas Alfonso”, Santiago de Cuba, Telef 5322631424, fax 5322632545 correo electrónico arqui@sierra.scu.sld.cu. 

El Dr. Hipólito Carvajal Fals es Vicerrector de Investigaciones en la Universidad de Oriente, Santiago de Cuba, Telef. 53-22-631424, fax 5322632545 correo electrónico carvajal@vrif.uo.edu.cu.

Resumen:

Este artículo presenta un estudio de la marcha en una muestra de 100 adultos sanos escogidos al azar. Con el objetivo de caracterizar la locomoción desde un punto de vista biomecánico se realizaron varios registros simultáneos sobre una pierna: video digital del movimiento en el plano sagital, electromiografía de los músculos tibial anterior y sóleo, y mapa temporal del apoyo plantar. Para la obtención de este último y la sincronización e interconexión de la cámara y el equipo de neurofisiología clínica, se diseñó e implementó una interfaz de interruptor de plantar. Los registros se transmitieron a un computador para su procesamiento. Se obtuvieron parámetros tales como: velocidad de marcha, tiempos y longitudes durante el apoyo y el balanceo del pie, rangos de desplazamiento angular en las articulaciones de la cadera la rodilla y el tobillo y los índices de activación muscular. Con estos resultados se conformó una base de datos, que será utilizada en los estudios de los desórdenes asimétricos de la locomoción. Se observaron algunas similitudes con la marcha de los asiáticos

Palabras-Clave: Características de la marcha/ Biomecánica de la marcha/ Electromiografía superficial/ Videografía/ Interruptor Plantar.

PRELIMINARY EVALUATION OF THE GAIT IN HEALTHY INDIVIDUALS

Abstracts:

This paper presents a gait study of a sample of 100 healthy adults chosen at random. With the objective of obtaining an elementary characterization of the locomotion from a biomechanics point of view, a simultaneous filming with a digital camera of the movement of a leg in the sagittal plane and the capture of the temporary registration of the foot support were carried out. Synchronized with the electromyography record from the Soleus and Tibialis Anterior muscles, was made possible by implementing a simple and economic instrumental interface, which is connected to a clinical measuring system. Data are transmitted and processed with computer tools and some parameters as the gait speed, the times and the longitudes of the support and the swinging of the foot, the ranges of the angular displacement of the hip, knee and ankle articulations and the indexes of muscular activation, normalized regarding the gait cycle were obtained. These results evidence the objectivity of a group of measures that contribute to characterize the locomotion of the healthy people. Being proven by means of their valuations, the non existence of typical particularities in the studied population's locomotion

Keywords: Gait Characteristics/ Gait Biomechanics/ Videography/ Surface Electreomyography/ Sole Switch.

Manuscrito finalizado en Santiago de Cuba el 2007/04/24, recibido el 2007/05/04, en su forma final (aceptado) el 2007/07/09. 

I. INTRODUCCIÓN

El uso clínico del análisis de la marcha se basa en la comparación de medidas derivadas del análisis de la cinemática, la cinética y la fisiología muscular del aparato locomotor. Idealmente una base de datos de la marcha debería incluir abundantes parámetros de sujetos con variadas proporciones. Los patrones y parámetros de la marcha de un paciente alto y pesado deberían compararse con grandes cantidades de medidas provenientes de sujetos sanos, con iguales dimensiones físicas, características raciales, culturales y de género, perteneciente al mismo país, región o zona geográfica [1, 2, 3].

Si bien los primeros estudios objetivos de la marcha fueron realizados en el año 1870 por Marey en Paris y Muybride en California, en la actualidad no abundan las bases de datos de la marcha. Además, la falta de una política en la estandarización de los reportes hace que estos sean incompletos, notándose la ausencia de parámetros relacionados con la fisiología muscular del aparato locomotor [4, 5].

En nuestro país esta situación está caracterizada por la no existencia de reportes y referencias de parámetros cinemáticos y fisiológicos, así como por limitaciones instrumentales y metodológicas para el estudio de la locomoción humana.

En este estudio se hace una evaluación preliminar (en una pierna) de la marcha en individuos sanos de la provincia de Santiago de Cuba, orientado a obtener una base de datos para el seguimiento evolutivo de pacientes hemipléjicos y hemiparéticos con desviaciones asimétricas de la locomoción, que han sufrido accidentes cerebrovasculares, tercera causa de muerte en la provincia.

Se emplean los métodos de videografía bidimensional, de electromiografia superficial (EMG) y la caracterización temporal del apoyo plantar, previo diseño e implementación de una interfaz de foot switch.

En el reporte se exponen las características antropométricas más relevantes de la muestra estudiada, los materiales y métodos utilizados en el análisis cinemático y de EMG de la marcha, así como los requisitos funcionales y de diseño de una interfaz electrónica de foot switch. Seguidamente y a través de comparaciones con lo reportado por otros autores, se describen los parámetros espaciales y temporales de la marcha; los rangos y patrones del desplazamiento angular de la cadera, la rodilla y el tobillo; el registro temporal del apoyo plantar sincronizado con los registros de EMG de los músculos tibial anterior (TA) y sóleo (SO) por ciclo de marcha (CM); los índices de activación eléctrica de los músculos tibial anterior (IATA) y sóleo (IASO).

II. DESARROLLO

1. MATERIALES Y MÉTODOS

1.1 Muestra poblacional.

El estudio se realizó en una muestra de 100 individuos sanos escogidos al azar, 50 mujeres y 50 hombres. Se obtuvo el consentimiento personal firmado para la participación y divulgación de los resultados con fines científicos. La edad y los datos antropométricos más representativos se muestran en la Tabla I.

1.2 Videografia.

Para la evaluación cinemática se utilizó el método de filmar a los participantes durante la realización de la marcha.

A los sujetos les fueron fijados en el acromion, trocánter mayor, plateo lateral de la tibia, parte trasera posterior del calcáneo, maléolo lateral, 5^to metatarso y dedo mayor, marcadores esféricos de 2 cm de diámetro, recubiertos con material reflexivo Scotchlite TM 8910 gris plata. Para la grabación del movimiento de los marcadores se empleó una cámara digital modelo Zr 95 de la firma Canon, equipada con un lente de 25 mm, al que se adicionó un filtro y una lámpara de luz infrarroja. La misma se conectó a la entrada analógica de video de una tarjeta capturadora marca ATI modelo 9600, instalada en la computadora.

La filmación de los videos se realizó con la frecuencia de cuadros correspondiente a la norma utilizada (30 c/s) y una razón de obturación de (1/500 s). La cámara fue nivelada en un trípode y separada 5m en dirección normal al plano principal del movimiento. La locomoción se realizó paralela a la pared (plano principal de movimiento), recorriéndose una distancia de 10 m de longitud. A los participantes se les pidió caminar de manera habitual, debiendo transitar 30 veces el trayecto en ambos sentidos. Para obtener las variables espaciales de la marcha, el pre-procesamiento, cálculo y filtrado de los desplazamientos angulares del tobillo, la rodilla y la cadera en el plano sagital, se utilizó el software Hu-m-an de HMA Technology Inc [6].

1.3 Diseño de la interfaz Interruptor Plantar

Las principales funciones de la musculatura del tobillo durante la marcha no se comprenden fácilmente sin la adecuada sincronía en la captura y visualización de los registros de EMG y del patrón temporal del apoyo plantar del pie [7]. Para la obtención de los registros temporales del apoyo del pie se diseñó y construyó un dispositivo sencillo y compacto con las siguientes especificaciones funcionales:

- Generar una señal para la identificación temporal de las fases de pisada y balanceo.

- Generar una señal de sincronismo entre los registros de EMG y videografía.

- Comodidad, facilidad para el montaje y la manipulación

El circuito se concibió para que operara de conjunto con el electromiógrafo, lo que permite el procesamiento simultáneo de la señal generada por el dispositivo y los registros de EMG. La referencia en tiempo así introducida permite correlacionar las señales biológicas adquiridas con las fases de apoyo y balanceo, correspondientes al ciclo de marcha.

En la Figura 1 se muestra un esquema en bloques del dispositivo. El circuito posee un conversor digital/analógico de 4 bits cuya entrada está conectada a cuatro foot switches flexibles MA 153 de Motion Lab. Systems Inc, normalmente abiertos, que son fijados con cinta adhesiva a la parte inferior del talón, 5to metatarso, 1er metatarso y dedo gordo del pie [8]. La señal analógica posee 16 niveles de voltaje, que representan las posibles combinaciones de conmutadores activados. Identificando cada nivel se conocen las fases del apoyo plantar y sus tiempos de duración.

El comparador se usa para identificar la pisada y el balanceo mediante la activación o desactivación de su señal de salida. El nivel de comparación se ajustó para que se active cuando se cierre, al menos, uno de los interruptores. Simultáneamente se ilumina un LED que es captado por la cámara y que actúa como referencia visual para sincronizar las señales electromiográficas con las videográficas durante el pre-procesamiento fuera de línea de ambos registros.

El conmutador permite seleccionar dos modos de operación: la señal del conversor para estudiar fases de la pisada o la del comparador para identificar pisada y balanceo. La señal escogida se suministra directamente al electromiógrafo a través de una entrada de corriente directa que ofrece el fabricante y se visualiza en la pantalla sincronizada con las señales de EMG.

1.4 Electromiografía superficial

Las señales de EMG se recolectaron de los músculos TA y SO. Los registros se obtuvieron con un electromiógrafo Neuropack Four Mini, modelo MEB-5304K (Nihon Kohden). Se utilizaron electrodos de superficies de Ag-AgCl de 10 mm de diámetro. Estos se montaron con cinta adhesiva y pasta conductora, se ubicaron sobre la parte central del vientre del músculo, en línea con sus fibras, manteniendo una distancia interelectrodo de 2cm [9, 10].

A los registros de EMG se les aplicó un filtrado de doble banda, de 20 a 500 Hz, y junto con las señales provenientes de la interfaz de Interruptor Plantar, se transmitieron al computador a través del protocolo RS 232. De forma visual se confirmó la ausencia de artefactos, seguidamente se rectificaron y suavizaron mediante el método del valor medio cuadrático [11].

A continuación se realizó la integración de los perfiles de activación de EMG en intervalos de 0,01 s. Se obtuvieron las áreas de activación de los músculos TA y SO respecto a las fases correspondientes al apoyo y al balanceo del pie. Seguidamente las mismas fueron normalizadas con respecto a la actividad de cada músculo para el CM, obteniéndose los índices de activación muscular para el tibial anterior (IATA) y el sóleo (IASO).

2. Resultados

2.1 Parámetros espacio-temporales de la marcha

En la Tabla II se observa que los hombres marchan con mayores valores de velocidad (Vm), longitud de ciclo (Lc) y de paso (Lp) que las mujeres. En éstas últimas se obtienen mayores valores en la cadencia (Cad) y en los tiempos de apoyo (Ta) y balanceo (Tb).

Al aplicarse la prueba de homogeneidad de varianza Anova, en relación al género, se observan diferencias significativas p<0.05, en las variables: Vm, Lp y Lc.

Con el fin de establecer un criterio evaluativo preliminar, en la Figura 2, se presentan los valores promedios y la desviación estándar de la Vm, Lc y la Cad, obtenidos en el presente estudio, los que se comparan con los reportados por otros autores [12].

En general, las velocidades de marcha de los hombres y mujeres en el estudio actual son semejantes a las reportadas por Tabeum et al (2005), proveniente de los asiáticos y diferente a las de occidente, Oberg et al (1993) y Auvinet et al (2002). La longitud de ciclo en el reporte actual se asemeja al de los asiáticos y difiere del reportado para la muestra poblacional de occidente. Los cubanos caminan con la menor cadencia, seguidos por los asiáticos y occidentales respectivamente, Figura 3.

2.2 Cinemática del desplazamiento angular de las articulaciones

En la Tabla III se muestra una comparación con lo reportado por otros autores [13, 14]. Se presentan los valores mínimos y máximos del desplazamiento angular, así como, los rangos de trabajo para cada articulación, Observándose diferencias entre los rangos de flexión–extensión (fle/ext) de la cadera, la rodilla y la dorsiflexión-plantoflexión (df/pf) del tobillo.

La distribución de las bandas de coberturas para 100 % del CM, correspondientes al desplazamiento angular de la cadera, la rodilla y el tobillo en el plano sagital, se presentan en la Figura 4.

2.3 Electromiografia superficial.

Los patrones de activación de los músculos TA y SO, se muestran en la Figura 5, a través de sus correspondientes registros de EMG, rectificados y filtrados a 6 Hz. Estos se adquieren en sincronía con el registro temporal del apoyo del pie provenientes de la interfase de Interruptor Plantar.

Los promedios de los índices de activación del TA y el SO obtenidos a 1,15 m/s son presentados en la Figura 6. Se observan similitudes con los obtenidos por A Ricamato (2005) a la velocidad de 1,25 m/s, en iguales intervalos de tiempo del ciclo de marcha. Una diferencia notable se observa en el IATA obtenido por J.H. Burridge (2001), el cual fue deducido en el intervalo de tiempo del CM definido a partir del despegue del dedo gordo (DDG) hasta el posterior contacto del mismo dedo (CDG). Análogamente este autor dedujo el IASO en el intervalo definido desde el 11%, antes del despegue del talón (DT) hasta un 9% después [16, 17].

3. Discusión

Los parámetros de Vm, Lc, presentados en el estudio actual, son semejantes a los reportados para la población asiática, Tabeum et al (2005), y difieren notablemente de lo reportado por otros autores, Oberg et al (1993) y Auvinet et al (2002). La semejanza encontrada en relación con los asiáticos, pudiera deberse a la similitud de estatura entre ambas poblaciones; 1,73 m los hombres y 1,62 m las mujeres, contra 1,70 y 1,58 m respectivamente, ya que se conoce de la relación directa existente entre la Vm, la Cad, la Lc y la estatura [18].

La similitud en los rangos de trabajo de la cadera, la rodilla, y el tobillo mostrados en el estudio actual, respecto a los reportados por Cho et al. (2004) provenientes de los coreanos, podrían estar en relación con las semejanzas encontradas en la Vm. y la Lc. entre ambas poblaciones. Esto sugeriría que cubanos y asiáticos tienen un cierto parecido al caminar.

Los patrones de la cinemática articular presentados en el articulo actual, coinciden cualitativamente con los presentadas por Murray et al, Braidot y col, Sutherland et al y Kadaba et al [19, 20]. Igualmente los patrones morfológicos de la actividad muscular en el TA y el SO respecto a las fases del ciclo plantar, concuerdan con lo publicado [21].

Los IATA e IASO son similares a los obtenidos por Ricamato et al [2005], pero difieren visiblemente de los obtenido por J.H. Burridge (2001). Este comportamiento estaría determinado por los intervalos de tiempo del CM y de la Vm (no reportada), seleccionados por este último [22].

La propuesta de hardware (Interruptor Plantar) implementada presenta como inconvenientes: el tiempo que se emplea en el montaje y fijación de los interruptores a la planta del pie, la comprobación entre estudios de la presencia de artefactos en la señal producto al corrimiento, o la desconexión de los sensores, originada por la sudoración del pie y lo relacionado con las incomodidades derivadas del alambrado del miembro en movimiento. La interfaz mantuvo un funcionamiento estable y libre de interrupciones a lo largo del estudio. Su reducido tamaño y bajo peso, contribuyen a la simplificación de los materiales utilizados.

III. CONCLUSIONES

1. Los parámetros obtenidos del trabajo proporcionan un juego pequeño y manejable de medidas cuantitativas que permiten concebir una base preliminar de datos de la marcha en individuos sanos de Santiago de Cuba.

2. Los métodos de electromiografia superficial y videografía de la marcha descritos, presuponen una alternativa no invasiva y sencilla de extender al proceder clínico para el estudio de las desviaciones asimétricas de la locomoción.

3. Desde el punto de vista de los resultados preliminares obtenidos en el presente estudio, los cubanos y los asiáticos compartirían ciertas semejanzas al caminar.

4. La interfaz de Interruptor Plantar desarrollada es útil para detectar las fases de pisada y balanceo del pie, así como, para suministrar el sincronismo temporal entre los registros del apoyo plantar, la EMG y la videografía.

 IV. REFERENCIAS

1. Molen HH: Problems on the evaluation of gait, Amsterdam, 1993, Free University.         [ Links ]

2. Cho, S. H., Park, J. M., & Kwon, O. Y. (). Gender differences in three dimensional gait analysis data from 98 healthy Korean adults. Clinical Biomechanics, 2004, 19:145-152.         [ Links ]

3. Craik RL, Dutterer L. Spatial and temporal characteristic of foot fall patterns in Gait Analysis Theory and Application. Craik RL, Oatis CA, Mosby, 1995, 143-158.         [ Links ]

4. Taebeum R, Hoonwoo C, Hwa S C, Min K. Chung. A comparison of gait characteristics between Korean and Western people for establishing Korean normal gait data, The Fourth International Cyberspace Conference on Ergonomics, Internacional Ergonomics Association         [ Links ]

5. Oberg T, Karsznia A. Basic gait parameters: Reference data for normal subjects, 10-79 years of age. J. of Rehabilitation Research & Development, 1993, 14:210-224.         [ Links ]

6. http://www.hma-tech.com/page01a.htm. [Mayo, 2001].         [ Links ]

7. Perry J. Determinant of muscle funtion in the spastic lower extremity. Clin. Orthop Relat Res, 1993, 288-289.         [ Links ]

8. Perry J. Gait analysis—normal and pathological function. SLACK Incorporated ISBN 1-55642-192-3, 1992.         [ Links ]

9. Turker KS. Electromyography: some methodological problems and issues, Phys Ther. 1993, 73:698-710.         [ Links ]

10. Delagi EF, Perotto A, Iazetti J, Morrison D. Anatomic guide for the electromyographer. Springfield (IL): Charles C. Thomas, 1981, p. 146, 158, 180, 189, 192.         [ Links ]

11. J.V. Basmajian, C.J. Deluca, Muscles Alive, Williams & Wilkins, Baltimore, MD, 1985.         [ Links ]

12. Auvinet, B., Berrut, G., Touzard, C., Moutel, L., Collet, N., Chaleil, D., & Barrey, E. Reference data for normal subjects obtained with an accelerometric device. Gait & Posture, 2002, 16:124-134.         [ Links ]

13. Benedetti, M. G., Catani, F., Leardini, A., Pignotti., E., & Giannini., S. (). Data management in gait analysis for clinical applications. Clinical Biomechanics, 1998, 13:204-215         [ Links ]

14. Kadaba, M. P., Ramakrishnan, H. K., & Wootten, M. E. (). Measurement of lower extremity kinematic during level walking. Journal of Orthopaedic Reasearch, 1990, 8:383-392.         [ Links ]

15. Sutherland DH, Olshen RA, Biden EN, Wyatt MP. The development of mature walking. London: Mac Keith Press, 1988.         [ Links ]

16. Ricamato A.L, Hidler J.M. Quantification of the dynamic properties of EMG patterns during gait. Journal of electromyography and kinesiology. 2005, 15:384-392         [ Links ]

17. Burridge J.H, Wood D.E, Taylor P.N, McLellan D.L. Indices to describe different muscle activation patterns, identified during treadmill walking, in people with spastic drop-foot. Medical Engineering & Physics, 2001, 23:427–434.         [ Links ]

18. Donskoi D. Movimientos de locomoción en Biomecánica de los ejercicios físicos. Donskoi D y Zatsiorski V, Raduga, 1988, 218-219.         [ Links ]

19. Murray MP et al: Walking patterns in healthy old men, J Gerontology 24(2):169,1969.         [ Links ]

20. Braidot A, Gallardo DG, Spinetto JI, “Laboratorio de Biomecánica de bajo costo: Desarrollo de sistema de Videografía Digital”, XVII Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica, 11-13 de septiembre de 2000, Isla de Santa Catalina, Brazil.         [ Links ]

21. Burridge JH, McLellan DL. Relation between abnormal patterns of muscle activation and response to common peroneal nerve stimulation in hemiplegia. J Neurol Neurosurg Psychiatry 2000, 69:353–361.         [ Links ]

22. Shiavi y cols. Electromyographic gait assessment, part 1: Adult EMG profiles and walking speed Journal of Rehabilitation Research and Development. 1987, 14:13-23.         [ Links ]

V. AGRADECIMIENTOS

Se agradece a los integrantes del Laboratorio de Neurofisiología del Hospital “Dr. Juan Bruno Zayas Alfonso” de Santiago de Cuba, a los PhD. Edmund N. Biden y Victoria L. Chester de la Universidad de New Brusnwick por proveernos de los materiales y los conocimientos para la realización del estudio y a la Agencia Canadiense para el Desarrollo (CIDA) por el apoyo financiero para la adquisición del equipamiento.