Biología y biomecánica en el tratamiento de las fracturas
Biomecanica de columna
1. BIOMECANICA DE COLUMNA.
DR. FEDERICO FIGUEROA REYES
RESIDENTE DEL 3ER AÑO
TRAUMATOLOGIA Y ORTOPEDIA
HOSPITAL GENERAL XOCO
2. BIOMECANICA
Es la rama de la ciencia que estudia los
efectos de la energía y las fuerzas sobre los
sistemas biológicos.
Aplica las leyes físicas y mecánicas a los
sujetos vivos bajo condiciones normales y
anormales
3. BIOMECANICA
Aplica las leyes físicas Newtonianas sobre modelos biológicos para describir su comportamientos y funciones.
Primera ley o ley de inercia
Todo cuerpo permanece en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que otros cuerpos actúen sobre él.
Segunda ley o Principio Fundamental de la Dinámica
La fuerza que actúa sobre un cuerpo es directamente proporcional a su aceleración.
Tercera ley o Principio de acción-reacción
Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, éste ejerce sobre el primero una fuerza igual y de sentido opuesto.
4. BIOMECANICA
La ortopedia se enfoca en los efectos de las
fuerzas aplicadas (Movimientos y
deformaciones) y momentos que actuan
sobre los tejidos músculo-esqueléticos.
Cinemática y Fricción.
5. FUERZAS ESQUELETICAS
ESTATICA.-
ES EL ESTUDIO DE LOS CUERPOS QUE PERMANECEN EN REPOSO
O EN EQUILIBRIO.
Equilibrio Estable
Equilibrio Inestable
Equilibrio Indiferente
6. FUERZAS ESQUELETICAS
DINAMICA.-
Estudia las fuerzas que producen el movimiento, dividiéndose en
CINEMATICAY CINETICA.
CINETICA.- Estudia el movimiento de los cuerpos y las fuerzas que
actúan para producirlos.
CINEMATICA.- Es la ciencia del movimiento que estudia las relaciones
que existen entre el desplazamiento, velocidades, y aceleraciones en el
movimiento.
7. FUERZAS ESQUELETICAS
MOVIMIENTO.- Estado de un cuerpo que cambia de situación por efecto
de una fuerza intrínseca o extrínseca
Cambio de posición de un objeto con respecto a otros que se suponen
fijos.
CLASES DE MOVIMIENTO: RECTILINEO, ELIPTICO, CIRCULAR.
VELOCIDAD.-Tiempo en el que se realiza un fenómeno.
ACELERACION.- Es la variación que experimenta la velocidad en cada
unidad de tiempo. M/seg x seg
8. FUERZAS ESQUELETICAS
Existen 2 tipos de movimiento:
El TRANSLACIONAL (cada punto del cuerpo se desplaza en líneas
paralelas)
EL ROTACIONAL (cuando los puntos del cuerpo describen círculos
concéntricos alrededor de un eje).
La cinemática define al movimiento como el cambio continuo de
posición.
9. CONCEPTOS BASICOS DE BIOMECANICA
ENERGIA.-
Es la capacidad de realizar un trabajo.
Newton/metro (N/m)
QUIMICA, MECANICA,TERMICA, ELECTRICA,ATOMICA, NUCLEAR.
Energía potencial.
Energía cinética. Poseída por un cuerpo. Energía del movimiento,
10. CONCEPTOS BASICOS DE BIOMECANICA
FUERZA.- Un impulso o una tracción.
Acción que cambia el estado de reposo al movimiento
Newton.- Fuerza necesaria para acelerar unamasa de 1 kg 1m/s2
Existen 2 tipos:
EXTERNAS (ajenas a la estructura, también llamadas de CARGA.
INTERNAS (reaccionan a las cargas de las fuerzas externas, llamadas también
TENSIONES).
11. CONCEPTOS BASICOS DE BIOMECANICA
TRABAJO.-
Es la fuerza necesaria para levantar un objeto en contra de la gravedad y
se presenta el movimiento. JOULE.
Producto de la fuerza aplicada por la distancia recorrida en la misma
dirección de la fuerza. (N/m)
12. CONCEPTOS BASICOS DE BIOMECANICA
POTENCIA.-
Es la rapidez con la que se realiza un trabajo. WATT = TRABAJO DE 1
JOULE/seg.
13. CONCEPTOS BASICOS DE BIOMECANICA
PALANCAS.-
Es una máquina simple constituída por una barra que apoyada en un punto
llamado FULCRO vence una resistencia.
Consiste en 2 fuerzas: POTENCIA y RESISTENCIA, que actúan alrededor de
punto de apoyo llamado FULCRO.
BRAZO DE POTENCIA: La distancia de la potencia al fulcro.
BRAZO DE RESISTENCIA: La distancia de la resistencia al fulcro.
14. CONCEPTOS BASICOS DE BIOMECANICA
Las palancas son de 3 tipos.- según la localización de la potencia y la
resistencia en relación con el fulcro:
1) PALANCA DE PRIMER GRADO (INTERMOVIL).- Punto de apoyo entre la
potencia y la resistencia. Requiere un esfuerzo pequeño para levantar una
gran resistencia. Ej. un sube y baja, las tijeras, el tríceps sobre el cúbito.
15. CONCEPTOS BASICOS DE BIOMECANICA
• 2) PALANCAS DE 2o. GRADO (INTERRESISTENTE).- Tiene la resistencia entre la
potencia y el punto de apoyo. Como el brazo de resistencia es menor que el brazo
de potencia, la potencia será mayor que la resistencia. Ej. una carretilla, un
cascanueces, pararse de puntas
16. CONCEPTOS BASICOS DE BIOMECANICA
• 3) PALANCA DE 3er. GRADO (INTERPOTENTE).- Es la potencia localizada entre el punto de
apoyo y la resistencia. Para sostener la resistencia la potencia debe ser de mucho mayor
magnitud que la resistencia, pero el desplazamiento de la potencia es mucho menor que el
de la resistencia. Ej. las pinzas, cañas de pescar, la acción del bíceps sobre el antebrazo.
17. CONCEPTOS BASICOS DE BIOMECANICA
ESFUERZOS.- Combinación de fuerzas aplicadas a unidad de área, capaces de
producir una deformación.
COMPRESION.- Se aplican cargas iguales y opuestas en los lados opuestos de un
cuerpo.
TENSION.-Dos fuerzas actúan en sentido opuesto y se alejan entre si; ésta
fuerza se aplica en TENSION. El esfuerzo de tensión se obtiene dividiendo la
CARGA ENTRE EL AREA DE SECCIONTRANSVERSAL.
CIZALLANTE O CORTANTE.- Aplicación de una o mas fuerzas en sentido
tangencial al eje de carga (paralelo a su superficie) y provocan deslizamiento
paralelo en sentido contrario entre los planos de un cuerpo.
18. SOLICITACIONES
FLEXION.- Es la inducción de una curvatura a lo largo del eje mayor
de un objeto, por la aplicación de una fuerza excéntrica o
movimiento de flexión.
20. SOLICITACIONES
TORSION.- Fuerzas aplicadas que tienden a girar un
objeto alrededor de su eje (torcerlo).
21. SOLICITACIONES
TENSION.- Aplicación de una fuerza que tiende a alargar un objeto
(tirar de él),TERCER LEY DE NEWTON.
22. SOLICITACIONES
CORTANTE.- Fuerza aplicada paralelamente a la superficie de un
objeto (p.ej. la fuerza de rozamiento). Las fuerzas cortantes pueden
existir también profundamente en el interior del material.
23. SOLICITACIONES
Todas las fuerzas o solicitaciones aplicadas deforman un cuerpo.
Aumenta longitud en tensión
Aumenta grosor en compresión
Angula en cizallamiento
Tasa de Poisson:
Es la relación entre la deformidad axial y la transversal de un cuerpo.
(liga o pelota de tenis)
24. FUERZAS ESQUELETICAS
VECTORES Y FUERZAS
Cuerpos Libres: (Cuerpo de Newton) Para
calcular las fuerzas que actúan sobre una
parte del cuerpo, esta se debe considerar por
si sola, como un cuerpo libre. & fuerzas y
momentos en equilibrio. Verticales,
anteroposteriores y laterales.
25. FUERZAS ESQUELETICAS
VECTORES Y FUERZAS
Los músculos solo ejercen fuerzas tensionales
sobre los huesos.
Ejercen fuerzas compresivas sobre las
articulaciones.
28. BIOMECANICA DE LA COLUMNA
La columna protege la médula
espinal.
Se articula de manera
controlada a través de un
complejo de palancas
(vértebras), pivotes
(articulaciones y discos),
límites pasivos (ligamentos) y
activos (Músculos)
Reforzada por la parrilla costal
Estabilidad mecánica dada
por un sistema dinámico
neuromuscular
29. BIOMECANICA DE LA COLUMNA
Funciones biomecánicas
Transfiere las cargas de la cabeza el tronco y
cualquier peso agregado a la pelvis
Permite movimientos fisiológicos suficientes entre
los 3
Protege la médula espinal de las fuerzas y
movimientos fisiológicos y traumáticos
31. ANATOMIA
Plano sagital
4 curvas normales
Convexidad anterior cervical y lumbar (lordosis)
Concavidad anterior dorsal y sacrococcígea (cifosis)
Aumentan la flexibilidad
Absorben mejor la compresión
Mantienen la firmeza y estabilidad articular
32. ANATOMIA
Curva torácica
estructural
Menor altura anterior del
cuerpo anterior
Curva cervical y lumbar
por disco en cuña
33. DISCO INTERVERTEBRAL
ANATOMIA
20-33% de la altura de la
columna
Núcleo pulposo
Anillo fibroso
Placas marginales
cartilaginosas
34. DISCO INTERVERTEBRAL
Sujeto a varias fuerzas y momentos
Soporta las cargas compresivas del tronco
3-7 veces el peso del cuerpo
Fuerzas tensionales
Cargas torsionales
Fuerzas de cizallamiento
Combinaciones
35. DISCO INTERVERTEBRAL
PROPIEDADES DEPENDIENTES DE
TIEMPO
Viscoelasticidad
Histéresis.- Pérdida de energía tras ciclos de
carga y descarga repetitivos (brincar)
Deformidad (Creep).-carga súbita y mantenida
Relajación
36. DISCO INTERVERTEBRAL
PROPIEDADES DEPENDIENTES DE
TIEMPO
Fuerzas de alta amplitud y corta duración
Daño estructural irreparable
Fuerzas de baja magnitud y larga duración
Falla por fatiga, desgarre.
Dependientes de la edad
37. DISCO INTERVERTEBRAL
NUCLEO PULPOSO
Fibras delgadas en un gel de mucoproteínas y
mucopolisacáridos.
40% área total del disco. Mayor en cervicales y
lumbares
Contiene de 70-90% agua (disminuye con la edad)
Mas posterior en lumbares
38. DISCO INTERVERTEBRAL
ANILLO FIBROSO
Tej. fibroso en bandas laminadas concéntricas en
arreglo helicoidal
Se unen a placas cartilaginosas en la zona central
y al cuerpo vertebral en la periferia (Sharpey).
Aumentan estabilidad.
39. DISCO INTERVERTEBRAL
PLACAS CARTILAGINOSAS MARGINALES
Cartílago hialino
Separa al núcleo de el cuerpo vertebral
Desaparece con la edad
40. DISCO INTERVERTEBRAL
PROPIEDADES FISICAS
ELASTICIDAD:
VISCOELASTICIDAD
FATIGA
COMPRESION
Flexibilidad a cargas bajas
Estabilidad a cargas altas
Deformidad permanente sin herniación del núcleo
41. DISCO INTERVERTEBRAL
PROPIEDADES FISICAS
COMPRESION
Unidad vertebral funcional
Falla vertebral
Fx de placas terminales
Sin daño al disco
42. DISCO INTERVERTEBRAL
PROPIEDADES FISICAS
TENSION en el anillo fibroso a la flexo-extensión y
lateralización y en rotación axial a 45º
Zonas anteroposteriores mas resistentes a la
tensión
Estructura anisótropica (propiedades mecánicas
varían con las distintas orientaciones espaciales)
43. DISCO INTERVERTEBRAL
PROPIEDADES FISICAS
FLEXION
El anillo fibroso se abulta hacia la
concavidad, sin movimiento del núcleo
TORSION
Falla a 20º dañándose sobre todo el anillo fibroso
CIZALLAMIENTO
Se da en la torsión, fuerzas sin distribución uniforme
hasta 260N/mm (alta)
45. LIGAMENTOS ESPINALES
Estructuras uniaxiales
Resisten cargas según orientación de sus
fibras.
Resisten fuerzas de tensión pero se vencen a
la compresión
Actuán de manera individual en repuesta a las
fuerzas aplicadas a la columna
46. LIGAMENTOS ESPINALES
Permiten movimientos fisiológicos
adecuados y mantener posturas fijas
Disminuir el gasto energético muscular
Restringir movimientos a límites definidos
para proteger la médula espinal.
Absorción de energía
47. BIOMECANICA DE LOS LIGAMENTOS
ESPINALES
7 ligamentos espinales
Lig ant longitudinal
Lig post longitudinal
Lig intertransversos
Lig capsulares
Lig amarillo
Lig interespinosos
Lig supraespinosos
48. BIOMECANICA DE LOS LIGAMENTOS
ESPINALES
Lig ant longitudinal
Estructura fibrosa
Aspecto anterior basioccipital
Se une al atlas y a la cara anterior de
todos los cuerpos vertebrales hasta
el sacro
Se une firmemente a los cuerpos
vertebrales pero no a los discos
intervertebrales.
49. BIOMECANICA DE LOS LIGAMENTOS
ESPINALES
Lig post longitudinal
Estructura fibrosa
Aspecto posterior basioccipital
Cubre a los lig denso y transversos
(membrana tectoria)
Cubre las superficies posteriores de
todos los cuerpos vertebrales hasta el
coccyx.
Se une firmemente al disco
intervertebral y no al cuerpo vertebral
50. BIOMECANICA DE LOS LIGAMENTOS
ESPINALES
Lig intertransversos
Van entre las apófisis transversas
Intimamente unidos a la masa
común
Lig capsulares
Se insertan a los márgenes de los
proceso articulares adyacentes
Fibras perpendiculares al plano de
las facetas
51. BIOMECANICA DE LOS LIGAMENTOS
ESPINALES
Lig amarillo
Se extiende del borde anteroinferior de
la lámina superior, al borde
posterosuperior de la lámina inferior, de
la 2ª cervical a la 1ª sacra
Rico en fibras elásticas
Lig interespinoso
Unen las apófisis espinosas adyacentes,
desde su raíz hasta su vértice
Rudimentarios en las cervicales
52. BIOMECANICA DE LOS LIGAMENTOS
ESPINALES
Lig supraespinosos
Inician en la nuca y bajan por la
punta de las apófisis espinosas hasta
el sacro
53. BIOMECANICA DE LOS LIGAMENTOS
ESPINALES
CARACTERISTICAS FISICAS
DE LOS LIGAMENTOS
Curva deformidad-carga
Zona neutral (NZ) mov fisiol
Zona elástica (EZ) límite fisiol
Zona plástica (PZ) ruptura
Grieta crítica de Griffith
(vibración)
59. BIOMECANICAQ VERTEBRAL
LEY DE PASCAL: "La
presión existente en un
líquido confinado actúa
igualmente en todas
direcciones, y lo hace
formando ángulos
rectos con la superficie
del recipiente".
60. BIMECANICA VERTEBRAL
FACETAS ARTICULARES
Estructuras estabilizadoras
Soportan 18-33% de
fuerzas de compresión
45% de torsional
61. MUSCULATURA ESPINAL
Provee estabilidad al tronco en cualquier postura
Producen los movimientos de la actividad
fisiológica
Generan fuerzas isométricas
Cambian de longitud (isotónicas)
Aumentan la rigidez de la columna y su estabilidad
67. ESTABILIDAD COLUMNAR
La parrilla costal y la
musculatura dorsal
mantienen la posición
longitudinal de la
columna como al mástil
de un barco.
Dorsal ancho
Trapecio
Serrato posterior sup e inf
71. UNIDAD FUNCIONAL ESPINAL
Segmento de movimiento
Comportamiento similar al de
la columna completa
Curva deformidad-carga
Zona neutral (NZ) mov
fisiológico
Zona elástica (EZ) límite
fisiológico
Coeficiente de flexibilidad
(EZ/CFM)