El análisis de la marcha es el estudio sistemático de la locomoción animal , más específicamente el estudio del movimiento humano, utilizando el ojo y el cerebro de los observadores, aumentado por instrumentación para medir los movimientos corporales , la mecánica corporal y la actividad de los músculos. [1] El análisis de la marcha se utiliza para evaluar y tratar a personas con afecciones que afectan su capacidad para caminar. También se usa comúnmente en biomecánica deportiva para ayudar a los atletas a correr de manera más eficiente e identificar problemas relacionados con la postura o el movimiento en personas con lesiones.
El estudio abarca la cuantificación (introducción y análisis de parámetros medibles de la marcha ), así como la interpretación, es decir, extraer diversas conclusiones sobre el animal (salud, edad, tamaño, peso, velocidad, etc.) a partir de su patrón de marcha.
Historia
Los pioneros del análisis científico de la marcha fueron Aristóteles en De Motu Animalium (Sobre la marcha de los animales) [2] y mucho más tarde, en 1680, Giovanni Alfonso Borelli también llamó De Motu Animalium (I et II) . En la década de 1890, el anatomista alemán Christian Wilhelm Braune y Otto Fischer publicaron una serie de artículos sobre la biomecánica de la marcha humana en condiciones de carga y descarga. [3]
Con el desarrollo de la fotografía y la cinematografía, fue posible capturar secuencias de imágenes que revelan detalles de la locomoción humana y animal que no se notaban al observar el movimiento a simple vista. Eadweard Muybridge y Étienne-Jules Marey fueron pioneros de estos desarrollos a principios del siglo XX. Por ejemplo, la fotografía en serie reveló por primera vez la secuencia detallada del " galope " del caballo , que generalmente se tergiversaba en pinturas realizadas antes de este descubrimiento.
Aunque muchas de las primeras investigaciones se realizaron utilizando cámaras de película, la aplicación generalizada del análisis de la marcha en humanos con afecciones patológicas como parálisis cerebral , enfermedad de Parkinson y trastornos neuromusculares , comenzó en la década de 1970 con la disponibilidad de sistemas de cámaras de video que podrían producir estudios detallados de pacientes individuales con limitaciones de tiempo y costes realistas. El desarrollo de regímenes de tratamiento, que a menudo implican cirugía ortopédica , basados en los resultados del análisis de la marcha, avanzó significativamente en la década de 1980. Muchos hospitales ortopédicos líderes en todo el mundo ahora tienen laboratorios de la marcha que se utilizan de forma rutinaria para diseñar planes de tratamiento y para el seguimiento de seguimiento.
El desarrollo de sistemas informáticos modernos se produjo de forma independiente a fines de la década de 1970 y principios de la de 1980 en varios laboratorios de investigación de hospitales, algunos a través de colaboraciones con la industria aeroespacial. [4] El desarrollo comercial pronto siguió con la aparición de la televisión comercial y más tarde los sistemas de cámaras de infrarrojos a mediados de la década de 1980.
En 2018 hay una nueva propuesta para una medida de resumen cinética, el Índice de cinética de la marcha .
Proceso y equipo
Un laboratorio típico de análisis de la marcha tiene varias cámaras (de video o infrarrojas) colocadas alrededor de una pasarela o una cinta de correr, que están conectadas a una computadora. El paciente tiene marcadores ubicados en varios puntos de referencia del cuerpo (p. Ej., Espinas ilíacas de la pelvis, maléolo del tobillo y cóndilos de la rodilla) o grupos de marcadores aplicados a la mitad de los segmentos corporales. El paciente camina por la pasarela o la cinta de correr y la computadora calcula la trayectoria de cada marcador en tres dimensiones. Se aplica un modelo para calcular el movimiento de los huesos subyacentes. Esto da un desglose completo del movimiento de cada articulación. Un método común es utilizar el conjunto de marcadores del Hospital Helen Hayes , [5] en el que se colocan un total de 15 marcadores en la parte inferior del cuerpo. Los 15 movimientos del marcador se analizan analíticamente y proporciona el movimiento angular de cada articulación.
Para calcular la cinética de los patrones de marcha, la mayoría de los laboratorios tienen transductores de carga montados en el piso, también conocidos como plataformas de fuerza, que miden las fuerzas y momentos de reacción del suelo, incluida la magnitud, la dirección y la ubicación (llamado centro de presión). La distribución espacial de fuerzas se puede medir con un equipo de pedobarografía . Sumar esto a la dinámica conocida de cada segmento corporal permite la solución de ecuaciones basadas en las ecuaciones de movimiento de Newton-Euler que permiten calcular las fuerzas netas y los momentos netos de fuerza alrededor de cada articulación en cada etapa del ciclo de la marcha. El método computacional para esto se conoce como dinámica inversa.
Este uso de la cinética, sin embargo, no da como resultado información para músculos individuales sino para grupos de músculos, como los extensores o flexores de la extremidad. Para detectar la actividad y contribución de los músculos individuales al movimiento, es necesario investigar la actividad eléctrica de los músculos. Muchos laboratorios también utilizan electrodos de superficie adheridos a la piel para detectar la actividad eléctrica o el electromiograma (EMG) de los músculos. De esta manera es posible investigar los tiempos de activación de los músculos y, hasta cierto punto, la magnitud de su activación, evaluando así su contribución a la marcha. Las desviaciones de los patrones cinemáticos, cinéticos o EMG normales se utilizan para diagnosticar patologías específicas, predecir el resultado de los tratamientos o determinar la efectividad de los programas de entrenamiento.
Factores y parámetros
El análisis de la marcha está modulado o modificado por muchos factores y los cambios en el patrón normal de la marcha pueden ser transitorios o permanentes. Los factores pueden ser de varios tipos:
- Extrínseco: como terreno, calzado, ropa, carga
- Intrínseco: sexo, peso, altura, edad, etc.
- Físico: como peso, altura, físico
- Psicológico: tipo de personalidad, emociones.
- Fisiológicas: características antropométricas, es decir, medidas y proporciones del cuerpo.
- Patológico: por ejemplo, trauma, enfermedades neurológicas, anomalías musculoesqueléticas, trastornos psiquiátricos.
Los parámetros que se tienen en cuenta para el análisis de la marcha son los siguientes:
- Longitud del paso
- Longitud de zancada
- Cadencia
- Velocidad
- Base dinámica
- Línea de progresión
- Ángulo del pie
- Ángulo de la cadera
- Rendimiento en sentadillas [6]
Técnicas
El análisis de la marcha implica la medición, [7] donde se introducen y analizan parámetros medibles, y la interpretación, donde se extraen conclusiones sobre el sujeto (salud, edad, talla, peso, velocidad, etc.). El análisis es la medida de lo siguiente:
Temporal / espacial
Consiste en el cálculo de la velocidad, la duración del ritmo, el tono, etc. Estas medidas se realizan a través de:
- Cronómetro y marcas en el suelo.
- Caminar sobre una colchoneta de presión.
- Sensores láser de alcance que escanean un plano a unos centímetros del suelo. [8] [9]
- Sensores inerciales y software para interpretar giroscopios 3D y datos acelerométricos 3D.
Cinemática
- La cronofotografía es el método más básico para registrar el movimiento. La iluminación estroboscópica a frecuencia conocida se ha utilizado en el pasado para ayudar en el análisis de la marcha en imágenes fotográficas individuales. [10] [11]
- Se pueden usar películas de cine o grabaciones de video que utilicen imágenes de una o varias cámaras para medir los ángulos y velocidades de las articulaciones. Este método ha sido ayudado por el desarrollo de software de análisis que simplifica enormemente el proceso de análisis y permite el análisis en tres dimensiones en lugar de solo en dos dimensiones.
- Los sistemas de marcadores pasivos, que utilizan marcadores reflectantes (normalmente bolas reflectantes), permiten una medición precisa de los movimientos utilizando varias cámaras (normalmente de cinco a doce cámaras), simultáneamente. Las cámaras utilizan luces estroboscópicas de alta potencia (normalmente rojo, infrarrojo cercano o infrarrojo) con filtros a juego para registrar el reflejo de los marcadores colocados en el cuerpo. Los marcadores se encuentran en puntos de referencia anatómicos palpables. Basándose en el ángulo y la demora de tiempo entre la señal original y la reflejada, es posible la triangulación del marcador en el espacio. Se utiliza software para crear trayectorias tridimensionales a partir de estos marcadores que posteriormente reciben etiquetas de identificación. A continuación, se utiliza un modelo informático para calcular los ángulos de articulación a partir de las posiciones relativas de los marcadores de las trayectorias etiquetadas. [12] También se utilizan para la captura de movimiento en la industria cinematográfica. [13]
- Los sistemas de marcadores activos son similares al sistema de marcadores pasivos pero utilizan marcadores "activos". Estos marcadores son activados por la señal de infrarrojos entrante y responden enviando una señal propia correspondiente. Esta señal se usa luego para triangular la ubicación del marcador. La ventaja de este sistema sobre el pasivo es que los marcadores individuales funcionan a frecuencias predefinidas y, por lo tanto, tienen su propia "identidad". Esto significa que no se requiere posprocesamiento de las ubicaciones de los marcadores; sin embargo, los sistemas tienden a ser menos tolerantes con los marcadores fuera de la vista que los sistemas pasivos. [14]
- Sistemas inerciales (sin cámara) basados en sensores inerciales MEMS , modelos biomecánicos y algoritmos de fusión de sensores. Estos sistemas de cuerpo completo o cuerpo parcial se pueden usar en interiores y exteriores independientemente de las condiciones de iluminación.
Captura de la marcha sin marcadores
- Los sistemas de captura de la marcha sin marcadores utilizan una o más cámaras en color o sensores de profundidad 2.5D (es decir, Kinect) para calcular directamente las posiciones de las articulaciones del cuerpo a partir de una secuencia de imágenes. El sistema sin marcadores permite un análisis no invasivo de la marcha humana en un entorno natural sin ningún marcador adjunto. La eliminación de marcadores puede ampliar la aplicabilidad de las técnicas de análisis y medición de la marcha humana, reducir considerablemente el tiempo de preparación y permitir una evaluación del movimiento eficiente y precisa en todo tipo de aplicaciones. Actualmente, el principal sistema sin marcadores es la captura de movimiento basada en video con cámara monocular o estudio de múltiples cámaras. [15] Hoy en día, el análisis de la marcha basado en sensores de profundidad para aplicaciones clínicas se vuelve cada vez más popular. Dado que los sensores de profundidad pueden medir la información de profundidad y proporcionar una imagen de profundidad 2.5D, han simplificado efectivamente la tarea de sustracción de primer plano / fondo y reducido significativamente las ambigüedades de pose en la estimación de pose humana monocular . [dieciséis]
Medición de presión
Los sistemas de medición de presión son una forma adicional de medir la marcha al proporcionar información sobre la distribución de la presión, el área de contacto, el movimiento del centro de fuerza y la simetría entre los lados. Estos sistemas suelen proporcionar más que solo información sobre la presión; La información adicional disponible de estos sistemas son la fuerza , el tiempo y los parámetros espaciales. Se encuentran disponibles diferentes métodos para evaluar la presión, como una alfombra de medición de presión o una pasarela (de mayor longitud para capturar más golpes de pie), así como sistemas de medición de presión en el zapato (donde los sensores se colocan dentro del zapato). [17] [18] [19] Muchos sistemas de medición de presión se integran con tipos adicionales de sistemas de análisis, como captura de movimiento, EMG o placas de fuerza para proporcionar un análisis integral de la marcha.
Cinética
Es el estudio de las fuerzas que intervienen en la producción de movimientos.
Electromiografía dinámica
Es el estudio de los patrones de actividad muscular durante la marcha.
Aplicaciones
El análisis de la marcha se utiliza para analizar la capacidad de caminar de humanos y animales, por lo que esta tecnología se puede utilizar para las siguientes aplicaciones:
Diagnósticos médicos
La marcha patológica puede reflejar compensaciones por patologías subyacentes o ser responsable de la causa de los síntomas en sí misma. Los pacientes con parálisis cerebral y accidente cerebrovascular se ven comúnmente en los laboratorios de marcha. El estudio de la marcha permite realizar diagnósticos y estrategias de intervención, así como permitir futuros desarrollos en ingeniería de rehabilitación . Aparte de las aplicaciones clínicas, el análisis de la marcha se utiliza en el entrenamiento deportivo profesional para optimizar y mejorar el rendimiento deportivo.
Las técnicas de análisis de la marcha permiten evaluar los trastornos de la marcha y los efectos de la cirugía ortopédica correctiva. [20] Las opciones para el tratamiento de la parálisis cerebral incluyen la parálisis artificial de los músculos espásticos utilizando Botox o el alargamiento, reinserción o desprendimiento de determinados tendones . También se realizan correcciones de la anatomía ósea distorsionada ( osteotomía ). [20]
Usos quiroprácticos y osteopáticos
La observación de la marcha también es beneficiosa para los diagnósticos en las profesiones quiroprácticas y osteopáticas, ya que los obstáculos en la marcha pueden ser indicativos de una pelvis o sacro desalineados. A medida que el sacro y el ilion se mueven biomecánicamente en oposición entre sí, las adherencias entre los dos a través de los ligamentos sacroespinoso o sacrotuberoso (entre otros) pueden sugerir una pelvis rotada. Tanto los doctores en medicina quiropráctica como osteopática usan la marcha para discernir el listado de una pelvis y pueden emplear varias técnicas para restaurar un rango completo de movimiento en las áreas involucradas en el movimiento ambulatorio. El ajuste quiropráctico de la pelvis ha mostrado una tendencia a ayudar a restaurar los patrones de la marcha [21] [22] al igual que la terapia de manipulación osteopática (OMT). [23] [24]
Biomecánica comparativa
Al estudiar la marcha de los animales no humanos, se puede obtener más información sobre la mecánica de la locomoción, que tiene diversas implicaciones para comprender la biología de la especie en cuestión, así como la locomoción de manera más amplia.
Marcha como biometría
El reconocimiento de la marcha es un tipo de autenticación biométrica del comportamiento que reconoce y verifica a las personas por su estilo y ritmo de caminar. [25] [26] Los avances en el reconocimiento de la marcha han llevado al desarrollo de técnicas para uso forense, ya que cada persona puede tener una marcha definida por medidas únicas como la ubicación del tobillo, la rodilla y la cadera. [27]
Vigilancia
En 2018, hubo informes de que el gobierno de China había desarrollado herramientas de vigilancia basadas en el análisis de la marcha, lo que les permitía identificar de forma única a las personas, incluso si sus rostros estaban ocultos. [28]
Medios populares
- GK Chesterton planteó uno de sus misterios sobre el padre Brown , "The Queer Feet", sobre el reconocimiento de la marcha.
- Cory Doctorow hace mucho del reconocimiento de la marcha como una técnica de seguridad utilizada en una escuela secundaria en su libro Little Brother .
- Arthur Conan Doyle hace que Sherlock Holmes use el análisis de la marcha para identificar la altura del asesino Rache en Un estudio en escarlata .
- La película Mission: Impossible - Rogue Nation presenta el análisis de la marcha, en una escena en la que Benji Dunn debe infiltrarse en una instalación que utiliza software de análisis de la marcha como parte de su protocolo de seguridad.
Libros de texto
- Análisis de la marcha: función normal y patológica, segunda edición . Autores: Jacquelin Perry y Judith M. Burnfield
- Biomecánica y control motor del movimiento humano. Autor: David A. Winter , cuarta edición. Publicado por John Wiley & Sons, Nueva York.
- Análisis de la marcha. Autores: David F. Levine , Jim Richards y Michael Whittle.
- Análisis observacional de la marcha. Autor: Centro de Investigación y Educación Los Amigos
- Análisis de la marcha: teoría y aplicación. Autores: Rebecca L. Craik y Carol S. Oatis,
- Clínicas "El tratamiento de los problemas de la marcha en la parálisis cerebral" en Medicina del desarrollo No. 164-165, editado por James R. Gage, 2004.
- Análisis forense de la marcha: principios y métodos . Editores: Birch I.Nirenberg M, Vernon W y Birch M. CRC Press, Taylor & Francis Group, 2020.
Ver también
- Puntos biométricos
- Análisis de la marcha: función normal y patológica, segunda edición
- Escala de calificación de anomalías de la marcha
- Desviaciones de la marcha
- Análisis multilineal de componentes principales
- Aprendizaje subespacial multilineal
- Reconocimiento de patrones
- Locomoción terrestre en animales
- Comparación de órtesis
Referencias
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enlaces externos
- Análisis clínico de la marcha