ENSAYO N°4

MOVIMIENTO DEL BRAZO HUMANO: DE LOS TRES PLANOS A LAS TRES DIMENSIONES

R E S U M E N

La representación clásica de movimiento de la extremidad superior es muy adecuada para describir movimientos individuales que se realizan en planos, pero presenta algunas incoherencias cuando se intentan describir movimientos tridimensionales relativamente complejos. En este trabajo se propone una modificación de la representación de movimientos del brazo humano, especialmente útil para el reporte de resultados de laboratorios de análisis computarizado de movimiento. La representación propuesta tiene dos ventajas: es robusta en el sentido de unicidad y permite describir movimientos tridimensionales a través de gráficas de uso común para los profesionales de la salud.

A B S T R A C T

The classic upper limb motion representation is appropriate for describe individual motions performed in planes, but it has incoherencies when it’s used for description of three-dimensional complex movements. In this work a modification for the motion representation of the upper limb is presented. This representation is especially useful for the report of results in computerized motion analysis laboratories. The proposed representation has two advantages: it is robust in the sense of unicity and it allows description of three-dimensional motion graphically in a familiar way for health professionals.

PALABRAS CLAVE:

Movimiento del brazo, medición de movimiento humano cinemática tridimensional.

KEYWORDS:

Arm motion, human arm motion measurement, three-dimensional, kinematics.

rígidos. Sobre este modelo, se exponen los inconve-

I N T R O D U C C I Ó N

El movimiento del cuerpo humano, evidentemente, se realiza en tres dimensiones: cada segmento del cuerpo va asumiendo posiciones y orientaciones en el espacio a medida que se realiza el movimiento. Sin embargo, la comprensión del movimiento es más simple si se realiza en dos dimensiones, proyectando el movimiento en un plano adecuado. Para poder describir la posición espacial de los segmentos del cuerpo humano se ha utilizado tradicionalmente un sistema de coordenadas cartesiano con origen en el centro de gravedad del cuerpo. Con frecuencia, los movimientos se nombran con respecto a los planos frontal, sagital y coronal.

Esta representación es muy adecuada para describir movimientos, como el de la marcha humana, que están prácticamente confinados a un plano. Sin embargo, no es suficiente y presenta inconsistencias cuando se intentan describir movimientos tridimensionales relativamente complejos. En el caso particular de las extremidades superiores, la referencia de movimientos se define con respecto a una posición arbitraria, denominada posición anatómica, que corresponde a tener el brazo al costado del tórax con la palma de la mano hacia el frente. A partir de esta posición se identifican los movimientos de la cadena formada por los segmentos de la extremidad superior.

En este trabajo se identifican algunos inconvenientes de esta representación de movimientos de la extremidad superior y se propone una modificación tanto en la posición de referencia (posición cero), como en la convención del movimiento. La descripción propuesta permite representar los movimientos tridimensionales de la extremidad superior de forma unívoca y sencilla. Inicialmente se plantea un modelo biomecánico de la extremidad superior como una cadena de cuerpos rígidos. Sobre este modelo, se exponen los inconvenientes de la representación convencional y se propone la nueva representación. Finalmente, se ilustran algunos ejemplos de reportes gráficos de experimentos, que explican unívocamente el movimiento de la extremidad superior.

DESARROLLO

M O D E L O D E L B R A Z O H U M A N O

El modelo biomecánico de la extremidad superior (Fig. 1) se define como una cadena abierta de 5 segmentos rígidos, conectados entre sí por 4 uniones articulares simples.

Los segmentos que componen el modelo serán tratados como cuerpos rígidos y se definen en la Tabla 1.

Estos segmentos se unen por medio de cuatro articulaciones que proveen un total de nueve grados de libertad. Las articulaciones que se han incluido en el modelo son: la articulación esterno-clavicular (Fig. 2a) que permite 2 grados de libertad; el hombro (Fig. 2b) que permite 3 grados de libertad y funcionalmente es la unión de las articulaciones acromio-clavicular y gleno-humeral; el codo (Fig. 2c); y la muñeca (Fig. 2d) que permiten cada una 2 grados de libertad.

El modelo propuesto tiene algunas simplificaciones importantes con respecto a la fisiología de la extremidad superior. Las tres principales son las siguientes:

• Cada articulación se define a través de un centro articular, que es un punto que se considera fijo a los dos cuerpos adyacentes. La articulación del hombro, especialmente, se considera como una unión esférica simple, que mantiene la funcionalidad de los movimientos del hombro pero no su configuración real.

• El antebrazo se considera como un cuerpo rígido, lo cual hace que los movimientos de pronación y supinación se deban considerar alrededor del codo.

• La mano se modela como un cuerpo rígido.

Por otra parte, una novedad de este modelo respecto a otros propuestos en la literatura es la inclusión del movimiento de la clavícula como parte de la extremidad superior; lo cual enriquece la representación de movimientos, como se muestra posteriormente.

D E F I N I C I Ó N T R A D I C I O N A L D E L O S M O V I M I E N T O S D E L H O M B R O

En la figura 3 se muestran los ejes principales que se definen para describir el movimiento del hombro: un eje transverso (T) que va desde un hombro hasta el otro; un eje antero-posterior (A) que va de atrás hacia delante a través del hombro; y un eje longitudinal (L) que atraviesa el hombro verticalmente y es perpendicular a los dos anteriores. Adicionalmente, se define un eje longitudinal del miembro (H) fijo al húmero.

Con base en estos ejes se definen los siguientes planos de referencia:

• El plano de flexión - extensión, el cual contiene el eje antero-posterior y el eje longitudinal, y es normal al eje transverso.

• El plano de abducción - aducción, el cual contiene los ejes transverso y longitudinal, y es normal al eje antero-posterior.

• El plano neutro, el cual contiene los ejes transverso y antero-posterior, y es normal al eje longitudinal. Teniendo estas definiciones de ejes y planos, los movimientos del hombro se definen como:

Flexión: Este movimiento tiene lugar alrededor del eje transverso y es una descripción del movimiento que ocurre cuando se eleva el brazo hacia adelante. En el caso del hombro, se cuantifica mediante el valor del ángulo que se crea entre el brazo y el eje longitudinal en el plano de Flexión – Extensión. En la posición anatómica la flexión del hombro es nula.

Extensión: Movimiento opuesto a la flexión, también tiene lugar alrededor del eje transverso. Se describe como el movimiento que acerca el brazo hacia el cuerpo si el brazo está en flexión.

Abducción y Aducción: Estos movimientos tienen lugar alrededor del eje antero-posterior y ocurren cuando el brazo se aleja del cuerpo (abducción) y cuando se acerca nuevamente (aducción). Para el hombro, estos movimientos se cuantifican mediante el valor del ángulo creado entre el brazo y el eje longitudinal en el plano de Abducción – Aducción.

Rotación de Hombro: Este movimiento tiene lugar alrededor del eje longitudinal del miembro. Se define como la rotación del miembro sobre su propio eje. Esta descripción de los movimientos del brazo es ampliamente utilizada por fisioterapeutas y médicos, y resulta especialmente útil para describir movimientos sencillos del tipo arcos de movimiento del brazo. Sin embargo, estas definiciones no son lo suficientemente claras y precisas para definir movimientos complejos, entendidos como movimientos compuestos que ocurren en el espacio tridimensional. Para ilustrar este punto en la figura 4 se muestra una secuencia correspondiente a tres movimientos simples ejecutados sucesivamente: un giro de 90º respecto al eje trasverso, un giro de -90º respecto al eje longitudinal y un giro de 90º respecto al eje antero-posterior.

Observando la secuencia, en ningún momento se hace una rotación de hombro; sin embargo, cuando el brazo regresa a la posición inicial se vuelve con el hombro rotado -90º. Esto se debe a que durante la segunda parte del movimiento (abducción) el hombro rota para poder mantener la posición vertical del antebrazo. Esta rotación no es percibida mediante la aplicación de la definición de movimientos tradicional. Por otra parte, si en la secuencia de la figura 4 se considera la imagen marcada, el movimiento en las dos imágenes posteriores es una aducción de 90º del hombro de acuerdo con la representación tradicional. Sin embargo, el movimiento partiendo de la misma marca, dos imágenes atrás, a pesar ser una rotación simple, genera ambigüedad en la representación tradicional. De hecho podría sumirse también como una aducción de 90º. Este ejemplo evidencia la necesidad de una nueva definición que sea precisa y robusta desde el punto de vista de la unicidad, para la descripción de movimientos del brazo en el espacio.

P R O P U E S TA D E D E F I N I C I Ó N D E L O S M O V I M I E N T O S D E L A E X T R E M I D A D S U P E R I O R

Tradicionalmente, se consideran cinco movimientos necesarios para describir el movimiento de las extremidades superiores: las tres rotaciones del hombro, la flexión-extensión del codo y la prono-supinación del antebrazo. Adicionalmente, se consideran dos rotaciones de la muñeca con respecto al antebrazo (flexión-extensión y desviación radio-cubital). Los movimientos se definen de forma independiente utilizando planos y ejes de referencia del cuerpo. En esta definición usualmente no se incluyen los movimientos de la clavícula.

A continuación se presenta una nueva propuesta de definición de los movimientos de la extremidad superior. Para medir los movimientos de un segmento respecto al anterior, se define un sistema de coordenadas local sobre cada segmento compuesto por tres vectores unitarios mutuamente perpendiculares.

Como referencia global, se define un sistema de coordenadas fijo en el tórax (t1, t2, t3) tal como se ilustra en la Figura 5. El vector t2 indica la dirección antero-posterior al tórax, el vector t3 indica la dirección longitudinal y el vector t1 completa el sistema de tal forma que el sistema sea dextrógiro (t1= t2 × t3). Fig. 5. Sistema de coordenadas global.

C O N C L U S I O N E S

En este trabajo se ha presentado una propuesta de representación de movimiento de la extremidad superior. La representación propuesta facilita especialmente la interpretación gráfica de los movimientos tridimensionales de la extremidad superior.

Utilizando un modelo biomecánico sencillo se han ilustrado las deficiencias que tiene la representación tradicional de movimiento de la extremidad superior. Se ha mostrado la bondad de la representación propuesta para el análisis de movimiento de extremidades superiores, pues permite describir de forma robusta y unívoca el movimiento realizado por el sujeto.

La representación se ha incluido dentro de una herramienta para análisis cuantitativo de movimiento de extremidades superiores (Schmidt, Disselhorst, Sinly y Rau, 2003), que se ha implantado como método diagnóstico en el Laboratorio de Análisis de Movimiento del Instituto de Ortopedia Infantil Roosevelt.

B I B L I O G R A F Í A

·         Baruh H. 1999. Analytical Dynamics. WCB Mc Graw Hill.

·         Nigg B., Herzog W. 1998. Biomechanics of the Musculo-skeletal System. Second Edition, Wiley.

·         Quintero H. 2003. Cálculo de fuerzas producidas durante el movimiento de una extremidad humana. Tesis de Maestría en Ingeniería Mecánica. Universidad de Los Andes, Bogotá, Colombia.

·         Rab G., Petuskey, K., Bagley A., 2002. “Determination of kinematics of the upper extremity”. Gait and Posture, Volume 15, Number 2, pp. 113-119(7)

·         Rau G., Disselhorst-Klug R., Schmidt R.. 2000.“Movement biomechanics goes upwards: from the leg to the arm”. Journal of Biomechanics, 33(10), pp.1207 – 1216

·         https://mail-attachment.googleusercontent.com/attachment/u/0/?ui=2&ik=aa923e1c2