La anatomía nos muestra, en reposo y en un momento dado, las formas de un proceso fisiológico y la biomecánica nos permite comprender cómo actúan las fuerzas internas y externas sobre estas estructuras.

Desde un punto de vista práctico y para su utilización diaria necesitamos recoger estos conocimientos hallados por la investigación experimental  y trasladarlos a la clínica para interpretar mejor la patología y sus posibles tratamientos. Por ello hemos denominado biomecánica clínica el estudio de las patologías del aparato locomotor y sus tratamientos, a través del conocimiento de su biomecánica. Es evidente que no todas las enfermedades ortopédicas se puedan abordar con un enfoque mecanicista y debemos excluir las enfermedades inflamatorias desde un punto de vista etiológico, pero no en cuanto a muchos de sus tratamientos, al igual que las reconstrucciones después de la cirugía tumoral o después de las infecciones. Por lo tanto muchas de las afecciones del aparato locomotor pueden enfocarse con bases mecánicas.

Para acceder a estas  interpretaciones debemos conocer la biomecánica de los tejidos, de las articulaciones y de los movimientos básicos como las posturas y la marcha. Nos proponemos presentar de una forma directa y práctica estos conocimientos de mecánicas insistiendo en sus aspectos más útiles para los estudiantes de medicina y fisioterapia, los técnicos de educación física y el clínico del aparato locomotor.           

Aproximacion a la biomecánica clínica del aparato locomotor 

Hitos históricos

Sin duda, las diferentes manifestaciones artísticas, así como el deporte, han sido la inquietud que ha potenciado el estudio de las posturas y del movimiento. Estas dos actitudes las encontramos íntimamente unidas en la Grecia antigua. Las representaciones artísticas en movimiento de los atletas fueron una fuente de conocimiento para aquella época y las posteriores, y demostraban un interés por el movimiento humano. Para ello se requerían unos importantes conocimientos de la anatomía superficial del cuerpo humano.

La matemática de Pitágoras (alrededor del 582 a.C) planteaba que todas las formas pueden ser definidas por números y que el universo y el cuerpo eran como un instrumento musical cuyas cuerdas requieren equilibrio y tensión para producir armonía. Las relaciones matemáticas son las que contienen los secretos del universo.

En medicina, Hipócrates (460- 370 a. C) enuncia el principio de causalidad no existe, ya que cada cosa existe por alguna razón. Según él la observación está basada totalmente en percepciones y los errores diagnósticos se admiten, pero debe analizarse. Fue el pionero de la utilización del razonamiento científico con fundamento en la observación y la experiencia.

La filosofía de Aristóteles (384-322 a.C.), por la cual el conocimiento de la naturaleza se realiza mediante la observación, no era totalmente científica, ya que no incluía la verificación, pero insistía en que todo movimiento debe relacionase con un motor, de forma directa o indirecta, puesto que la acción a distancia es inconcebible. Su obra acerca del movimiento de los animales describe por primera vez el movimiento y la locomoción, un análisis científico de la marcha y un primer análisis geométrico de la acción muscular, así como la fuerza de reacción del suelo.

Herófilo (hacia el 300 a. C) funda la moderna anatomía sobre la base de disecciones sistemáticas, identificando numerosos órganos por vez primera y definiendo las diferencias entre tendones y nervios.

Arquímedes (287- 212 a.C) pensó que podría moverse la tierra si se usaran complejas  poleas y palancas, y utilizó métodos geométricos para medir curvas y el área y el volumen de cuerpos sólidos. Además de su famoso tratado sobre la flotabilidad de los cuerpos, enseñó cómo encontrar el centro de gravedad en estructuras planas o parabólicas, con lo cual sentaba las bases de la mecánica racional.

Galeno (131-201 d.C) fue médico de colegio de gladiadores a los 28 años y, como dice Nigg (1994), sería el primer médico deportivo de la historia, pero lo cierto es que estudió el cuerpo humano y sus movimientos. Escribió una interesante obra ( De motu musculorum) sobre los músculos, sus partes y su funcionamiento. Diferencia entre músculos agonistas y antagonistas y entre nervios motores y sensitivos. Apasionado pop el auge de las matemáticas de su tiempo intenta hacer de la medicina una ciencia exacta sobre la base de descripciones precisas y buscando correlaciones entre causa y efecto. Lamentablemente, como no le gustaba la disección de seres humanos, sólo la realizó en animales.

Durante el largo periodo de la Edad Media (Edad Oscura) existen pocas aportaciones a la biomecánica salvo la utilización de sistemas mecánicos para la corrección de las deformidades, como hiciera Guy de Chauliac (1360), quien utilizó armaduras para corregir desviaciones de la columna.

Con el Renacimiento surgen interesantes figuras como la de Leonardo Da Vinci y Vesalio, Leonardo empezó como aprendiz del pintor Verrochio, faceta que utilizaría posteriormente para mejor plasmar y transmitir sus ideas y conocimientos enciclopédicos (hoy lo llamaríamos un buen comunicador).

Da Vinci fue sobre todo un ingeniero civil y militar, y contribuyó al conocimiento de la mecánica de su tiempo, describió el paralelogramo de fuerzas, definió la diferencia entre fuerzas simples y compuestas, estudió la fricción, relacionó fuerza, peso y velocidad, y preparó la tercera ley de Newton en sus estudio sobre el vuelo de los pájaros.

Estudió anatomía a escondidas y utilizó su excepcional habilidad como pintor para dejarnos una bella colección de descripciones anatómicas. Entendió perfectamente que las articulaciones en bola (enartrosis) como el hombro y la cadera poseen movimientos universales y que los músculos con sus inserciones relativas pueden realizar varios tipos de movimiento. Asimismo esquematizó la acción de los músculos cómo líneas de fuerzas siguiendo sus fibras dominantes.

Vesalio (1514-1564) recibió educación en medicina y fue un anatomista metódico sobre cadáveres  de ajusticiados. En la época en que Copérnico publica su obra fundamental De revolutionibus orbiun coelestium sobre el heliocentrismo, Vesalio también revoluciona la anatomía con su De Humani corporis fabrica. Demostró que durante la contracción el músculo se acorta y aumenta de grosor, y planteó discrepancias con las descripciones anatómicas de Galeno.

La revolución científica del siglo XVII gira alrededor de pensadores que utilizaron el análisis científico de la naturaleza (Galileo, Kepler, Descartes y Newton). En este ambiente surge un personaje poco conocido, Giovanni Alfonso Borrelli (1608-1679), llamado el padre de la biomecánica, quien realizó investigaciones apoyadas económicamente por la reina Cristina de Suecia, que residía en Roma, Tal vez arrepentida por iniciar las clases con su tutor Descartes a la cinco de la mañana, lo que le ocasionó a éste una neumonía y la muerte.

Borelli fue profesor de matemáticas en Pisa y trabajó junto a Malpihi, profesor de medicina. Este constituye un buen ejemplo de colaboración científica entre diversas áreas de conocimiento tal como hoy día se están realizando.

La obra de Borelli, De motu animalium (1680), integra la fisiología y la física (yatrofísica), y demuestra mediante métodos geométricos los movimientos humanos como correr, saltar y nadar, y la influencia de la dirección de las fibras musculares sobre el movimiento resultante de su contracción. Reconoce que los músculos trabajan con brazos de palanca muy cortos y compensan el peso del cuerpo provocando, a nivel articular, presiones muy superiores al propio peso del cuerpo. De hecho, y tal como señala Maquet, la balanza de Pauwels, ya quedó definida antes de 1680. 

Posiblemente fue Borelli el primero en determinar de forma experimental el centro de gravedad humano colocando al individuo sobre una tabla que se balanceaba. Observó también que durante la marcha se describen ondulaciones con la pelvis tanto lateralmente como en un plano transversal.

En la segunda parte de su obra estudia mediante la mecánica de fluidos la circulación de la sangre, apoyando la teoría de Harvey, así como la respiración, llegando a construir un espirómetro con el fin de medir el volumen de aire inhalado y calcular la capacidad torácica.

Newton (1642-1727) analiza los trabajos de Galileo, Kepler y Descartes, y pone orden entre ideas contradictorias planteando sus tres leyes (ley de la inercia, ley de la aceleración, ley de la acción y reacción) y posteriormente la ley de gravedad, con lo cual todos los movimientos de la naturaleza se pueden describir o predecir. La segunda ley es un instrumento fundamental para el análisis de los movimientos cinético y cinemática. La cinemática analiza el grado de movilidad o rango de movimiento de un cuerpo o una articulación, la cinética de las fuerzas que actúan sobre él o las fuerzas que el movimiento genera.

Durante la segunda mitad del siglo XVIII, con el interés de la actividad física y su estudio, se entra formalmente en el estudio de los movimientos con los hermanos Eduard y Wilhelm Weber y posteriormente con la enorme dedicación de E.J. Marey (1838-1904), quién aprovecha el reciente invento de la fotografía. Este investigador, con apoyo del gobierno Francés, dispuso de un laboratorio (station physiologique) con una pista circular de marcha donde se podría estudiar a niños y adultos durante el deporte o el trabajo mediante métodos cinematográficos, lo que le permitió el análisis del movimiento fotograma a fotograma.

La aportación de Marey en Francia, junto a la Muybridge en California, fue muy importante en el análisis de los movimientos tanto de los seres humanos como de los animales.  Muybridge también dispuso de financiación por parte de un gran aficionado a la equitación y realizó una interesante investigación fotográfica, con más de 20.000 imágenes, estudiando el movimiento relativo de los diferentes segmentos corporales.

Braune y Fisher inician en 1891 el estudio tridimensional de la marcha humana (realizando fotografías simultáneas con cuatro cámaras), determinando el centro de gravedad y el momento de inercia de los cuerpos. El arduo análisis de imágenes, que costó 7 años, se realiza el la actualidad mediante métodos informáticos en horas o incluso en minutos.

Unos años antes el anatomista von Meyer (1867) había estudiado las trabéculas de muchos huesos y analizado sus trayectorias, en especial las de la parte proximal del fémur. Coincidió con Kart Culmann (1821- 1881), matemático de Zurich, que había diseñado un nuevo modelo de grúa mecánica (básicamente se sigue utilizando), quien, al ver la descripción de las trabéculas del fémur, exclamó: “¡Pero si ésta es mi grúa!”. Se trata de un discreto, pero claro, ejemplo de que la naturaleza tiene resueltos muchos problemas mecánicos que todavía nos preocupan o hemos de resolver.

Wolf (1892), siguiendo a Meyer y y Culman,, observa que la organización del hueso esponjoso sigue las trayectorias de las principales fuerzas de compresión o tracción que sufre normalmente el hueso y sugiere que cualquier que cualquier modificación de las presiones que recibe el hueso comporta una reorientación de sus trabéculas según aquellas de presión.

Pauwels (1885-1980) marca un punto de inflexión entrando de lleno en los aspectos clínicos de la biomecánica del aparato locomotor y deja una extensa obra. Demuestra que, a través de la adaptación funcional, el aparato locomotor del hombre está construido con el mínimo materialy la máxima resistencia a las sobrecargas.

En 1935 enuncia que el las fracturas del cuello del fémur, consideradas incurables, se deben cambiar las fuerzas de cizallameiento por las de compresión  para lograr la consolidación de la fractura, basándose en un esquema mecánico de balanza de fuerzas.

Interpreta que la artrosis es el colapso del equilibrio fisiológico entre las presiones sobre el cartílago articular y la resistencia de éste.

Pauwels aparece como el fundador de la biomecánica moderna que abarca el estudio de las cargas mecánicas sobre el tejido vivos, las repuestas biológicas a estas presiones y la modificación de estas fuerzas para que tengan efectos terapéuticos.

Las dos guerras mundiales influyeron en los avances mecánicos y tecnológicos, y los nuevos materiales, la aparición de materiales compatibles con el cuerpo (biomateriales) y las nuevas tecnologías han permitido avanzar en biomecánica, pero singularmente la aplicación de sistemas de captación y cálculo de datos, que ha tenido como consecuencia el seguimiento de la subespecialidad de bioingeniería. Ha sido fundamental la formación de equipos multidisciplinarios entre médicos (anatomistas, fisiólogos, cirujanos del aparato locomotor), ingenieros, ergónomos y fisioterapeutas con el fin de afrontar juntamente, mediante distintas ópticas y métodos, los problemas mecánicos del cuerpo humano y concretamente los del aparato locomotor. Pero toda esta acumulación de datos que se produce a una velocidad enorme requiere una traducción a la realidad diaria, siendo esto lo que pretende la biomecánica clínica, si bien aceptando que biomecánica hay una: “El análisis formal y cuantitativo de las relaciones entre la estructura y la función de los tejidos vivos y la aplicación de los resultados en el ser humano sano y enfermo.

Fuente: Biomecánica clínica del aparato locomotor. Rodrigo C. Miralles Marrero.