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Biomecánica

La biomecánica es el estudio de la estructura, función y movimiento de los aspectos mecánicos de los sistemas biológicos, utilizando los métodos de la mecánica. La biomecánica es una rama de la biofísica

Página de una de las primeras obras de biomecánica (De Motu Animalium de Giovanni Alfonso Borelli), 1680.

Es una disciplina científica que tiene por objeto el estudio de las estructuras de carácter mecánico que existen en los seres vivos, fundamentalmente del cuerpo humano. Esta área de conocimiento se apoya en diversas ciencias biomédicas, utilizando los conocimientos de la mecánica, la ingeniería, la anatomía, la fisiología y otras disciplinas, para estudiar el comportamiento del cuerpo humano y resolver los problemas derivados de las diversas condiciones a las que puede verse sometido.[1]

La biomecánica está íntimamente ligada a la biónica y usa algunos de sus principios, ha tenido un gran desarrollo en relación con las aplicaciones de la ingeniería a la medicina, la bioquímica y el medio ambiente, tanto a través de modelos matemáticos para el conocimiento de los sistemas biológicos como en lo que respecta a la realización de partes u órganos del cuerpo humano y también en la utilización de nuevos métodos diagnósticos.

Una gran variedad de aplicaciones incorporadas a la práctica médica; desde la clásica pata de palo, a las sofisticadas ortopedias con mando mioeléctrico y de las válvulas cardíacas a los modernos marcapasos existe toda una tradición e implantación de prótesis.

Hoy en día es posible aplicar con éxito, en los procesos que intervienen en la regulación de los sistemas, modelos matemáticos que permiten simular fenómenos muy complejos en potentes ordenadores, con el control de un gran número de parámetros o con la repetición de su comportamiento.

Historia y desarrollo

La biomecánica se estableció como disciplina reconocida y como área de investigación autónoma en la segunda mitad del siglo XX en gran parte gracias a los trabajos de Y. C. Fung cuyas investigaciones a lo largo de cuatro décadas marcaron en gran parte los temas de interés en cada momento de esta disciplina.[2]

Circulación sanguínea

Históricamente uno de los primeros problemas abordados por el enfoque biomecánico moderno, resultó de intento de aplicar las ecuaciones de Navier-Stokes a la comprensión del riego sanguíneo.[3]​ Aunque usualmente se considera a la sangre como un fluido newtoniano incompresible, esta modelización falla cuando se considera el flujo sanguíneo en las arteriolas o capilares. A la escala de esas conducciones, los efectos del tamaño finito de las células sanguíneas o eritrocitos individuales son significativos, y la sangre no puede ser modelada como un medio continuo. Más concretamente, cuando el diámetro del vaso sanguíneo es ligeramente mayor que el diámetro del erotrocito, entonces aparece el efecto Fahraeus–Lindquist y existe una disminución en la tensión tangente al vaso. Así a medida que el diámetro del vaso sanguíneo disminuye, los glóbulos rojos tienen que aplastarse a lo largo del vaso y frecuentemente sólo pueden pasar de uno en uno. En este caso, se da un efecto Fahraeus–Lindquist inverso y la tensión tangencial del vaso se incrementa.

Huesos

Otro desarrollo importante de la biomecánica fue la búsqueda de ecuaciones constitutivas que modelaran adecuadamente las propiedades mecánicas de los huesos.

Mecánicamente los huesos son estructuras mecánicas anisótropas, más exactamente tienen propiedades diferentes en las direcciones longitudinales y transversales. Aunque sí son transversalmente isótropos, no son globalmente isótropos. Las relaciones de tensión-deformación en los huesos pueden ser modelizadas usando una generalización de la ley de Hooke, para materiales ortotrópicos:

 

Donde  , existiendo sólo cinco constantes independientes que son función de:

 , los módulos de Young en dirección longitudinal y transversal.
 , los dos coeficientes de Poisson.
 , el módulo de elasticidad transversal.

Tejido muscular

Existen tres tipos de músculo:

  • Músculo liso (no estriado): El estómago, el sistema vascular, y la mayor parte del tracto digestivo están formados por músculo liso. Este tipo de músculo se mueve involuntariamente.
  • Músculo miocardíaco (estriado): Los cardiomiocitos son un tipo altamente especializado de célula. Estas células se contraen involuntariamente y están situadas en la pared del corazón, actúan conjuntamente para producir latido sincronizados.
  • Músculo esquelético (estriado): Es un músculo que desarrolla un esfuerzo sostenido y generalmente voluntario. Un modelo ampliamente usado para este tipo de músculo, es la ecuación de Hill que puede simular adecudamente el tétanos:

 

Donde:

 , es la tensión o cargas del músculo.
 , la velocidad de contracción.
 , es la máxima carga o tensión que se puede producir en el músculo.
 , son dos constantes que caracterizan el músculo.

Esta ecuación puede describirse en términos de la tensión y la velocidad de deformación como:

 

Tejidos blandos

Durante la década de 1970, varios investigadores que trabajaban en biomecánica iniciaron un programa de caracterización de las propiedades mecánicas de los tejidos blandos, buscando ecuaciones constitutivas fenomenológicas para su comportamiento mecánico.

Los primeros trabajos se concentraron en tejidos blandos como los tendones, los ligamentos y el cartílago son combinaciones de una matriz de proteínas y un fluido. En cada uno de estos tejidos el principal elemento importante es el colágeno, aunque la cantidad y la calidad del colágeno varía de acuerdo con la función que cada tejido realiza:

  • La función de los tendones es conectar el músculo con el hueso y está sujeto a cargas de tracción. Los tendones deben ser fuertes para facilitar el movimiento del cuerpo, pero al mismo tiempo ser flexibles para prevenir el daño a los tejidos musculares.
  • Los ligamentos conectan los huesos entre sí, y por tanto son más rígidos que los tendones.
  • El cartílago, por otro lado, está solicitado primariamente con compresión y actúa como almohadillado en las articulaciones para distribuir las cargas entre los huesos. La capacidad resistente del cartílago en compresión se deriva principalmente del colágeno, como en tendones y ligamentos, aunque en este tejido el colágeno tiene una configuración anudada, soportada por uniones de cruce de glucosaminoglicanos que también permiten alojar agua para crear un tejido prácticamente incompresible capaz de soportar esfuerzos de compresión adecudadamente.

Más recientemente, se han desarrollado modelos biomecánicos para otros tejidos blandos como la piel y los órganos internos. Este interés ha sido promovido por la necesidad de realismo en la simulaciones de interés médico.

Subdisciplinas

 
Prótesis de cadera.

La Biomecánica está presente en diversos ámbitos, aunque cinco de ellos son los más destacados en la actualidad:

  • La biomecánica médica es una ciencia que estudia las enfermedades del cuerpo humano, más específicamente el sistema locomotor. Permite evaluar los problemas y solucionarlos
  • La biomecánica fisioterapéutica, evalúa las disfunciones del sistema musculoesquelético en el ser humano, para poder observar, evaluar, tratar o disminuir dichas disfunciones. Para realizar esta acción de una manera adecuada, la biomecánica fisioterapéutica aborda la Anatomía desde un punto de vista funcional, entiende el “por qué” y el “como”, es decir, como funciona la articulación, analiza funciones articulares como la estabilidad, la movilidad y la protección analizando el equilibrio que se da entre ellas, todo esto, siguiendo términos Anatómicos internacionales. La diferencia entre la biomecánica de la mecánica o mecánica industrial y la biomecánica fisioterapéutica es que esta es realmente móvil, esta “inscrita en el tiempo”. Cinesioterapia
  • La biomecánica deportiva, analiza la práctica deportiva para mejorar su rendimiento, desarrollar técnicas de entrenamiento y diseñar complementos, materiales y equipamiento de altas prestaciones. El objetivo general de la investigación biomecánica deportiva es desarrollar una comprensión detallada de los deportes mecánicos específicos y sus variables de desempeño para mejorar el rendimiento y reducir la incidencia de lesiones. Esto se traduce en la investigación de las técnicas específicas del deporte, diseñar mejor el equipo deportivo, vestuario, y de identificar las prácticas que predisponen a una lesión. Dada la creciente complejidad de la formación y el desempeño en todos los niveles del deporte de competencia, no es de extrañar que los atletas y entrenadores estén recurriendo en la literatura de investigación sobre la biomecánica aspectos de su deporte para una ventaja competitiva.
  • La biomecánica ocupacional, estudia la interacción del cuerpo humano con los elementos con que se relaciona en diversos ámbitos (en el trabajo, en casa, en la conducción de automóviles, en el manejo de herramientas, etc.) para adaptarlos a sus necesidades y capacidades. En este ámbito se relaciona con otra disciplina como es la ergonomía. Últimamente se ha hecho popular y se ha adoptado la Biomecánica ocupacional que proporciona las bases y las herramientas para reunir y evaluar los procesos biomecánicos en lo que se refiera a la actual evolución de las industrias, con énfasis en la mejora de la eficiencia general de trabajo y la prevención de lesiones relacionadas con el trabajo, esta está íntimamente relacionada con la ingeniería médica y de información de diversas fuentes y ofrece un tratamiento coherente de los principios que subyacen a la biomecánica bien diseñada y ergonomía de trabajo que es ciencia que se encarga de adaptar el cuerpo humano a las tareas y las herramientas de trabajo.
  • La biomecánica forense, se ocupa de estudiar los mecanismos de lesión que se pueden producir en el cuerpo frente a choques, colisiones, actuación de esfuerzos de consideración. Aplica los conceptos biomecánicos con el fin de determinar mecanismos causales, y aclarar el modo en que se pudieron producir las lesiones.

Subcampos

  1. Kinesiología. El término kinesiología viene de la palabra griega Kinéin 'mover[se]'. La kinesiología, conocida también como la cinética humana, es el estudio científico del movimiento humano. Aborda los mecanismos fisiológicos, mecánicos y psicológicos. La aplicaciones de la kinesiología de la salud humana incluyen la biomecánica y ortopedia; fuerza y acondicionamiento; los métodos de rehabilitación, como son la terapia física y ocupacional; y el deporte y el ejercicio. El trabajo de las personas especializadas en kinesiología puede abarcar varios campos, como son, la investigación, la industria de la aptitud, ajustes clínicos y el entorno industrial. Esta ciencia, no debe confundirse con la Kinesiología aplicada, que es un método de diagnóstico quiropráctico.
  2. Rehabilitación. La rehabilitación de la función motora y cognitiva suele implicar métodos de entrenamiento de vías neuronales ya existentes o formación de nuevas conexiones neuronales para recuperar o mejorar el funcionamiento neurocognitivo que se haya visto disminuido por alguna patología o traumatismo. Tres de los problemas neuropsicológicos con los que más frecuencia se aplica rehabilitación son el déficit de atención/hiperactividad (TDAH), conmoción cerebral y lesiones de la médula espinal. Fisioterapeutas, logopedas y terapeutas ocupacionales utilizan distintos métodos y ejercicios para funciones cerebrales específicas, por ejemplo, los ejercicios de coordinación ojo-mano pueden rehabilitar ciertos déficits motores, o ejercicios de planificación y organización, capaces de rehabilitar las funciones ejecutivas tras un golpe traumático en la cabeza o médula. Técnicas neurocognitivas, como la terapia de rehabilitación cognitiva, proporcionan la evaluación y tratamiento de trastornos cognitivos de una gran variedad de enfermedades cerebrales y otros daños que causan incapacidad persistente para muchos individuos. La rehabilitación se dirige a las funciones cognitivas como la atención, la memoria y la función ejecutiva.
  3. Ergonomía. La búsqueda de factores humanos y de ergonomía es un campo multidisciplinario, con aportaciones de la psicología, la ingeniería, la biomecánica, diseño industrial, diseño gráfico, estadísticas, investigación y operaciones de la antropometría. Consiste en diseñar equipos y dispositivos que se ajusten al cuerpo humano y a sus capacidades cognitivas. Los términos "factores humanos" y "ergonomía" son sinónimos. La definición que da la Asociación Internacional de Ergonomía sobre la ergonomía o los factores humanos es:
La ergonomía (o factores humanos) es la disciplina científica que estudia las interacciones entre los seres humanos y otros elementos de un sistema. Utiliza teoría, principios, datos y métodos con el fin de diseñar, y obtener así un bienestar general y un buen rendimiento humano.

Su objetivo es conseguir un buen estado de salud, seguridad y productividad. Es relevante en el diseño de muebles, máquinas y equipos. El diseño ergonómico es necesario para prevenir lesiones por esfuerzos repetitivos y problemas musculoesqueléticos, los cuales se pueden desarrollar con el tiempo y pueden alcanzar la discapacidad a largo plazo. Los factores humanos o la ergonomía tiene que ver con la adaptación entre el usuario, el equipo y su entorno. Tiene en cuenta las capacidades y las limitaciones del usuario, con el fin de que pueda realizar las tareas o funciones. Para evaluar la adaptación entre la persona y la tecnología utilizada, los especialistas en ergonomía o factores humanos tienen en cuenta el trabajo o actividad que se está llevando a cabo, las demandas de los usuarios, el equipo utilizado (su tamaño, forma, y lo apropiado que es para la tarea), y la información utilizada (la forma en que se presenta, accede y cambia). La ergonomía se basa en muchas disciplinas que estudian a los seres humanos y a su medio ambiente, incluyendo la antropometría, biomecánica, ingeniería mecánica, ingeniería industrial, diseño industrial, diseño de la información, kinesiología, fisiología y psicología.

Metodología

Muchos de los conocimientos generados por la biomecánica se basan en lo que se conoce como modelos biomecánicos. Estos modelos permiten realizar predicciones sobre el comportamiento, resistencia, fatiga y otros aspectos de diferentes partes del cuerpo cuando están sometidos a unas condiciones determinadas. Los estudios biomecánicos se sirven de distintas técnicas para lograr sus objetivos. Algunas de las más usuales son:

  • Análisis de fotogrametría. Análisis de movimientos en 3D basado en tecnología de vídeo digital. Una vez procesadas las imágenes capturadas, la aplicación proporciona información acerca del movimiento tridimensional de las personas o de los objetos en el espacio.
  • Análisis de comportamiento tensión-deformación directo. Este tipo de análisis se ocupa de determinar la "resistencia" de un material biológico ante la ejecución de una fuerza que actúa sobre este. Estas fuerzas, en sentido general, pueden ser de tipo compresivo o bien de tipo tracción y generarán en la estructura dos cambios fundamentales.
  • Biomecánica computacional. Se refiere a las simulaciones computarizadas de sistemas biomecánicos, tanto para poner a prueba modelos teóricos y refinarlos, como para las aplicaciones técnicas.

Cambios en la tensión

Nos referimos como tensión mecánica al esfuerzo interno por unidad de área que experimenta el material frente a la aplicación de la fuerza, cualquiera sea ésta y que corresponde a los fenómenos descritos por la Tercera Ley de Newton (Acción y Reacción). De acuerdo con este principio, la aplicación de un nivel determinado de deformación sobre un material flexible generará una tensión más pequeña que en otro material más rígido, que bajo la misma deformación experimentará una mayor tensión. La relación entre el esfuerzo aplicado y las deformaciones experimentadas, recibe el nombre de rigidez, y depende del tipo de esfuerzo que sea (de compresión, de flexión, torsional, etc.).

Cambios en la forma

Cuando se somete a un objeto cualquiera a la aplicación de una fuerza, en algún momento experimentará una deformación observable. Para los objetos más bien elásticos, dicha deformación se alcanza con aplicaciones de fuerza de baja magnitud, mientras que los materiales rígidos requieren de aplicación de magnitudes de fuerza de mayor consideración. La gráfica asociada al estudio de este fenómeno se conoce con el nombre de Curva Tensión Deformación de cuyo estudio es posible inferir el comportamiento del material. Un punto aparte en esta consideración lo representan los materiales viscoelásticos. Dichos materiales se caracterizan por presentar un comportamiento diferente en el tiempo a pesar de que las condiciones de carga o deformación a las que se les somete permanezcan constantes. Esto quiere decir, por ejemplo, que si el material es sometido a una carga constante, la deformación del material inicialmente ocurre a una cierta velocidad y que con el paso del tiempo de carga mantenida, dicha deformación tiende a ser constante (no experimentar variaciones).

Biomecánica computacional

La biomecánica computacional se refiere a la simulación mediante ordenadores de sistemas biomecánicos complejos. Usualmente se usan tanto modelos de sólidos para simular comportamientos cinemáticos, como modelos de elementos finitos para simular propiedades de deformación y resistencia de los tejidos y elementos biológicos. El tipo de análisis requerido en general es en régimen de grandes deformaciones, por lo que en general los modelos materiales usan relaciones no lineales entre tensiones y deformaciones.

Los tejidos blandos presentan comportamientos viscoelásticos: gran capacidad disipación de energía, histéresis, relajación de tensiones, precondicionado y "creep". Por lo que generalmente las ecuaciones constitutivas adecuadas para modelarlos son de tipo viscoelástico e involucran tanto a tensiones y deformaciones, como a velocidades de deformación. Algunos tejidos blandos incluso pueden ser precondicionados sometiéndolos a cargas cíclicas, hasta el punto que las curvas de tensión-deformación para los tramos de carga y descarga pueden llegar a prácticamente solaparse. El modelo más comúnmente usado para modelar la viscoelasticidad de los tejidos blandos es la teoría de la viscoelasticidad cuasilineal (QLV).

Fotogrametría

Los estudios biomecánicos se sirven de distintas técnicas para lograr sus objetivos. Una de las más usuales es la fotogrametría, cuya implementación de laboratorio es habitualmente costosa y requiere de algunos requisitos.

Frecuencia

Los fenómenos tal cual ocurren en nuestro entorno, están caracterizados porque tienen una determinada ocurrencia en el tiempo. Por ejemplo, la marcha normal de un sujeto es de aproximadamente un paso por segundo, de manera que la frecuencia de este fenómeno se sitúa alrededor de 1 Hz (un ciclo por segundo). Si el elemento que pretende caracterizar este fenómeno (normalmente una videocámara) filma al sujeto a una frecuencia menor, existirán partes del movimiento que no queden fielmente representadas en la filmación.

Ruido

El traspaso o la conversión análogica-digital involucra la existencia de ruido proveniente de la multiplicidad de campos electromagnéticos en nuestro ambiente que pueden deteriorar o modificar las condiciones de la imagen que se obtiene.

Sistema de coordenadas

El análisis del movimiento requiere de un sistema de coordenadas sobre las cuales poder establecer los cambios de posición (linear o angular) que experimenta el sujeto de estudio. Este sistema de coordenadas representa el espacio global en el que el sujeto se desplazará. El sujeto en sí, además debe estar provisto de algún tipo de marcador que caracterice el o los segmentos de estudio. Dichos marcadores pueden ser pasivos o activos y se transforman en un nuevo sistema de referencia: Sistema de Referencia Local.

Relación entre tecnología y biomecánica

La tecnología biomecánica, a veces llamada bioingeniería, se refiere tanto a dispositivos artificiales fabricados a partir de los resultados encontrados a partir de la investigación biomecánica, como a los instrumentos y técnicas usados en la investigación y adquisición de nuevos conocimientos en el ámbito de la biomecánica.

Órganos artificiales

Son dispositivos y tejidos creados para sustituir partes del organismo dañadas o que funcionan de forma incorrecta. El análisis de un órgano artificial, debe considerarse en la construcción de estos aspectos tales como materiales que requieren unas particulares características para poder ser implantados e incorporados al organismo vivo. Además de las características físicas y químicas de resistencia mecánica, se necesita fiabilidad, duración y compatibilidad en un ambiente biológico que siempre tiene una elevada agresividad.

El mayor problema que se plantea la construcción de una prótesis se refiere a la relación entre el biomaterial y el tejido vital en el que se inserta ya que es muy importante el control de las reacciones químicas de superficie y microestructura, el tejido crece y tiende a incorporar incluso a nivel de los poros de la rugosidad superficial, el material implantado.

Prótesis

La sustitución de órganos por otros artificiales, constituye la frontera avanzada de la ingeniería biónica. Dejando aparte las prótesis ortopédicas cuyo empleo ha tenido un enorme desarrollo gracias a la aplicación de nuevos materiales y técnicas de cálculo, así como a los avances en las técnicas de implantación por lo que cada día es más amplia la gama de posibilidades de sustitución de órganos conocidos y menos conocido, lo cual resulta de gran ayuda para pacientes y médicos un ejemplo de esto es la fabricación de bombas de insulina para emplear en personas diabéticas.

  • Electromiografía: análisis de la actividad eléctrica de los músculos.
  • Plantillas instrumentadas: registro de las presiones ejercidas por el pie durante la marcha.
  • Baropodometro electrónico: Pasillo instrumentado con sensores de presión que registran las presiones plantares durante diferentes gestos de locomoción (marcha, trote, carrera, etc.).
  • Plataformas de fuerza: plataformas dinamométricas diseñadas para registrar y analizar las fuerzas de acción-reacción y momentos realizados por una persona durante la realización de una actividad determinada.

Estudia las propiedades mecánicas, cinéticas y cinemáticas de los organismos, tomando en cuenta sus características morfo-funcionales.

Implantes

Un implante es un dispositivo médico fabricado para reemplazar una estructura biológica dañada o mejorar una estructura biológica existente. Los implantes médicos son fabricados por el hombre, en contraste con un trasplante. La superficie de estos, que contacta con el cuerpo es de un material biomédico, tal como el titanio, silicona o apatita.

En algunos casos, los implantes pueden ser electrónicos, por ejemplo, un marcapasos artificial y los implantes cocleares. Otros pueden ser bioactivos, como son los dispositivos de administración de fármacos por vía subcutánea.

Sensores

Para intervenir sobre cualquier órgano, se requiere el control y la medición continua de la intensidad del fenómeno.

Los sensores que constituyen el primer elemento del sistema, son dispositivos que permiten detectar los fenómenos físicos, químicos y eléctricos, ofreciendo seriales de salida proporcionales a la intensidad de las entradas. Las señales de entrada de muy diversos tipos y convertidas en la mayoría de los casos en magnitudes eléctricas (ejemplo, variaciones de presión y variaciones de resistencia eléctrica ) corresponden a variaciones de temperatura, de deformación muscular en los esfuerzos, de presión venosa o arterial, etc.

Los sensores pueden ser electrodos directos capaces de captar las señales procedentes de actividades celulares, o pueden consistir en detectores de concentraciones de sustancias químicas.

Estimuladores

Los estimuladores artificiales son utilizados para activar ciertos órganos o funciones que, aun estando sanos no funcionan como es debido a causa de lesiones del sistema nervioso central; según Claude Ville: «Una función extremadamente delicada, es la que se lleva a cabo para estimular el músculo cardíaco a través de un aparato marca pasos, que permite regular los latidos cardíacos al proporcionar desde el exterior impulsos de corriente y que resulta vital en algunos casos de arritmias cardíacas».

El marca pasos consta de una batería, un generador y un modulador de impulsos eléctricos y un electrodo que transmite los impulsos al tejido cardíaco. Existen muy diversos tipos de marca pasos (en la actualidad se cuenta con más de 200 tipos diferentes) Los impulsos eléctricos generados por el aparato pueden ser se frecuencia fija, es decir producidos a una frecuencia predeterminada, sin ninguna relación con la actividad del corazón, pero en la actualidad se emplean más los marcapasos a demanda, o sea, mediante impulsos desencadenados cuando el propio aparato reconoce un fallo en el ritmo cardíaco normal.

Referencias

  1. Vera, 1994
  2. . Archivado desde el original el 24 de agosto de 2007. Consultado el 14 de febrero de 2009. 
  3. Fung, Y. C.: "Elastic Environment of the Capillary Bed", Circulation Research, 1966, 19:441.

Bibliografía

  • Gutiérrez, Gilberto (2005). Principios de anatomía, fisiología e higiene: educación para la salud / Principles of Anatomy, Pyhsiology and Hygiene: Education for Health. Editorial Limusa. pp. 67 y 68. 
  • Bordoli, Pablo (1995). Manual para el análisis de los movimientos. Centro Editor Argentino.

Enlaces externos

  •   Wikcionario tiene definiciones y otra información sobre biomecánica.
  • Biomecánica Universidad de Los Andes Venezuela (ULA) (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última).
  • Biomecánica Deportiva
  • Biomecánica Clínica
  • Instituto de Biomecánica de Valencia (IBV)
  • Página de Edgar Lopategui
  • Sociedad Internacional de Biomecánica (ISB)
  • CIATEC, Centro de Investigación y Desarrollo en Calzado
  • Artículo de carácter divulgativo sobre los fundamentos físicos del caminar humano
  •   Datos: Q193378
  •   Multimedia: Biomechanics

biomecánica, para, entrenamiento, actoral, desarrollado, meyerhold, véase, biomecánica, teatro, este, artículo, sección, tiene, referencias, pero, necesita, más, para, complementar, verificabilidad, este, aviso, puesto, agosto, 2018, biomecánica, estudio, estr. Para el entrenamiento actoral desarrollado por Meyerhold vease biomecanica teatro Este articulo o seccion tiene referencias pero necesita mas para complementar su verificabilidad Este aviso fue puesto el 16 de agosto de 2018 La biomecanica es el estudio de la estructura funcion y movimiento de los aspectos mecanicos de los sistemas biologicos utilizando los metodos de la mecanica La biomecanica es una rama de la biofisicaPagina de una de las primeras obras de biomecanica De Motu Animalium de Giovanni Alfonso Borelli 1680 Es una disciplina cientifica que tiene por objeto el estudio de las estructuras de caracter mecanico que existen en los seres vivos fundamentalmente del cuerpo humano Esta area de conocimiento se apoya en diversas ciencias biomedicas utilizando los conocimientos de la mecanica la ingenieria la anatomia la fisiologia y otras disciplinas para estudiar el comportamiento del cuerpo humano y resolver los problemas derivados de las diversas condiciones a las que puede verse sometido 1 La biomecanica esta intimamente ligada a la bionica y usa algunos de sus principios ha tenido un gran desarrollo en relacion con las aplicaciones de la ingenieria a la medicina la bioquimica y el medio ambiente tanto a traves de modelos matematicos para el conocimiento de los sistemas biologicos como en lo que respecta a la realizacion de partes u organos del cuerpo humano y tambien en la utilizacion de nuevos metodos diagnosticos Una gran variedad de aplicaciones incorporadas a la practica medica desde la clasica pata de palo a las sofisticadas ortopedias con mando mioelectrico y de las valvulas cardiacas a los modernos marcapasos existe toda una tradicion e implantacion de protesis Hoy en dia es posible aplicar con exito en los procesos que intervienen en la regulacion de los sistemas modelos matematicos que permiten simular fenomenos muy complejos en potentes ordenadores con el control de un gran numero de parametros o con la repeticion de su comportamiento Indice 1 Historia y desarrollo 1 1 Circulacion sanguinea 1 2 Huesos 1 3 Tejido muscular 1 4 Tejidos blandos 2 Subdisciplinas 3 Subcampos 4 Metodologia 4 1 Cambios en la tension 4 2 Cambios en la forma 4 3 Biomecanica computacional 4 4 Fotogrametria 5 Frecuencia 6 Ruido 7 Sistema de coordenadas 8 Relacion entre tecnologia y biomecanica 8 1 organos artificiales 8 2 Protesis 8 3 Implantes 8 4 Sensores 8 5 Estimuladores 9 Referencias 9 1 Bibliografia 9 2 Enlaces externosHistoria y desarrollo EditarLa biomecanica se establecio como disciplina reconocida y como area de investigacion autonoma en la segunda mitad del siglo XX en gran parte gracias a los trabajos de Y C Fung cuyas investigaciones a lo largo de cuatro decadas marcaron en gran parte los temas de interes en cada momento de esta disciplina 2 Circulacion sanguinea Editar Historicamente uno de los primeros problemas abordados por el enfoque biomecanico moderno resulto de intento de aplicar las ecuaciones de Navier Stokes a la comprension del riego sanguineo 3 Aunque usualmente se considera a la sangre como un fluido newtoniano incompresible esta modelizacion falla cuando se considera el flujo sanguineo en las arteriolas o capilares A la escala de esas conducciones los efectos del tamano finito de las celulas sanguineas o eritrocitos individuales son significativos y la sangre no puede ser modelada como un medio continuo Mas concretamente cuando el diametro del vaso sanguineo es ligeramente mayor que el diametro del erotrocito entonces aparece el efecto Fahraeus Lindquist y existe una disminucion en la tension tangente al vaso Asi a medida que el diametro del vaso sanguineo disminuye los globulos rojos tienen que aplastarse a lo largo del vaso y frecuentemente solo pueden pasar de uno en uno En este caso se da un efecto Fahraeus Lindquist inverso y la tension tangencial del vaso se incrementa Huesos Editar Otro desarrollo importante de la biomecanica fue la busqueda de ecuaciones constitutivas que modelaran adecuadamente las propiedades mecanicas de los huesos Mecanicamente los huesos son estructuras mecanicas anisotropas mas exactamente tienen propiedades diferentes en las direcciones longitudinales y transversales Aunque si son transversalmente isotropos no son globalmente isotropos Las relaciones de tension deformacion en los huesos pueden ser modelizadas usando una generalizacion de la ley de Hooke para materiales ortotropicos s i j k l C i j k l e k l displaystyle sigma ij sum k l C ijkl varepsilon kl Donde C i j m n C j i m n C m n i j displaystyle C ijmn C jimn C mnij existiendo solo cinco constantes independientes que son funcion de E l E t displaystyle E l E t los modulos de Young en direccion longitudinal y transversal n t t n t l displaystyle nu tt nu tl los dos coeficientes de Poisson G t displaystyle G t el modulo de elasticidad transversal Tejido muscular Editar Existen tres tipos de musculo Musculo liso no estriado El estomago el sistema vascular y la mayor parte del tracto digestivo estan formados por musculo liso Este tipo de musculo se mueve involuntariamente Musculo miocardiaco estriado Los cardiomiocitos son un tipo altamente especializado de celula Estas celulas se contraen involuntariamente y estan situadas en la pared del corazon actuan conjuntamente para producir latido sincronizados Musculo esqueletico estriado Es un musculo que desarrolla un esfuerzo sostenido y generalmente voluntario Un modelo ampliamente usado para este tipo de musculo es la ecuacion de Hill que puede simular adecudamente el tetanos v b P a b P 0 a displaystyle left v b right P a b P 0 a Donde P displaystyle P es la tension o cargas del musculo v displaystyle v la velocidad de contraccion P 0 displaystyle P 0 es la maxima carga o tension que se puede producir en el musculo a b displaystyle a b son dos constantes que caracterizan el musculo Esta ecuacion puede describirse en terminos de la tension y la velocidad de deformacion como e b s a b s 0 a displaystyle left dot varepsilon bar b 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cartilago por otro lado esta solicitado primariamente con compresion y actua como almohadillado en las articulaciones para distribuir las cargas entre los huesos La capacidad resistente del cartilago en compresion se deriva principalmente del colageno como en tendones y ligamentos aunque en este tejido el colageno tiene una configuracion anudada soportada por uniones de cruce de glucosaminoglicanos que tambien permiten alojar agua para crear un tejido practicamente incompresible capaz de soportar esfuerzos de compresion adecudadamente Mas recientemente se han desarrollado modelos biomecanicos para otros tejidos blandos como la piel y los organos internos Este interes ha sido promovido por la necesidad de realismo en la simulaciones de interes medico Subdisciplinas Editar Protesis de cadera La Biomecanica esta presente en diversos ambitos aunque cinco de ellos son los mas destacados en la actualidad La biomecanica medica es una ciencia que estudia las enfermedades del cuerpo humano mas especificamente el sistema locomotor Permite evaluar los problemas y solucionarlosLa biomecanica fisioterapeutica evalua las disfunciones del sistema musculoesqueletico en el ser humano para poder observar evaluar tratar o disminuir dichas disfunciones Para realizar esta accion de una manera adecuada la biomecanica fisioterapeutica aborda la Anatomia desde un punto de vista funcional entiende el por que y el como es decir como funciona la articulacion analiza funciones articulares como la estabilidad la movilidad y la proteccion analizando el equilibrio que se da entre ellas todo esto siguiendo terminos Anatomicos internacionales La diferencia entre la biomecanica de la mecanica o mecanica industrial y la biomecanica fisioterapeutica es que esta es realmente movil esta inscrita en el tiempo Cinesioterapia La biomecanica deportiva analiza la practica deportiva para mejorar su rendimiento desarrollar tecnicas de entrenamiento y disenar complementos materiales y equipamiento de altas prestaciones El objetivo general de la investigacion biomecanica deportiva es desarrollar una comprension detallada de los deportes mecanicos especificos y sus variables de desempeno para mejorar el rendimiento y reducir la incidencia de lesiones Esto se traduce en la investigacion de las tecnicas especificas del deporte disenar mejor el equipo deportivo vestuario y de identificar las practicas que predisponen a una lesion Dada la creciente complejidad de la formacion y el desempeno en todos los niveles del deporte de competencia no es de extranar que los atletas y entrenadores esten recurriendo en la literatura de investigacion sobre la biomecanica aspectos de su deporte para una ventaja competitiva La biomecanica ocupacional estudia la interaccion del cuerpo humano con los elementos con que se relaciona en diversos ambitos en el trabajo en casa en la conduccion de automoviles en el manejo de herramientas etc para adaptarlos a sus necesidades y capacidades En este ambito se relaciona con otra disciplina como es la ergonomia Ultimamente se ha hecho popular y se ha adoptado la Biomecanica ocupacional que proporciona las bases y las herramientas para reunir y evaluar los procesos biomecanicos en lo que se refiera a la actual evolucion de las industrias con enfasis en la mejora de la eficiencia general de trabajo y la prevencion de lesiones relacionadas con el trabajo esta esta intimamente relacionada con la ingenieria medica y de informacion de diversas fuentes y ofrece un tratamiento coherente de los principios que subyacen a la biomecanica bien disenada y ergonomia de trabajo que es ciencia que se encarga de adaptar el cuerpo humano a las tareas y las herramientas de trabajo La biomecanica forense se ocupa de estudiar los mecanismos de lesion que se pueden producir en el cuerpo frente a choques colisiones actuacion de esfuerzos de consideracion Aplica los conceptos biomecanicos con el fin de determinar mecanismos causales y aclarar el modo en que se pudieron producir las lesiones Subcampos EditarKinesiologia El termino kinesiologia viene de la palabra griega Kinein mover se La kinesiologia conocida tambien como la cinetica humana es el estudio cientifico del movimiento humano Aborda los mecanismos fisiologicos mecanicos y psicologicos La aplicaciones de la kinesiologia de la salud humana incluyen la biomecanica y ortopedia fuerza y acondicionamiento los metodos de rehabilitacion como son la terapia fisica y ocupacional y el deporte y el ejercicio El trabajo de las personas especializadas en kinesiologia puede abarcar varios campos como son la investigacion la industria de la aptitud ajustes clinicos y el entorno industrial Esta ciencia no debe confundirse con la Kinesiologia aplicada que es un metodo de diagnostico quiropractico Rehabilitacion La rehabilitacion de la funcion motora y cognitiva suele implicar metodos de entrenamiento de vias neuronales ya existentes o formacion de nuevas conexiones neuronales para recuperar o mejorar el funcionamiento neurocognitivo que se haya visto disminuido por alguna patologia o traumatismo Tres de los problemas neuropsicologicos con los que mas frecuencia se aplica rehabilitacion son el deficit de atencion hiperactividad TDAH conmocion cerebral y lesiones de la medula espinal Fisioterapeutas logopedas y terapeutas ocupacionales utilizan distintos metodos y ejercicios para funciones cerebrales especificas por ejemplo los ejercicios de coordinacion ojo mano pueden rehabilitar ciertos deficits motores o ejercicios de planificacion y organizacion capaces de rehabilitar las funciones ejecutivas tras un golpe traumatico en la cabeza o medula Tecnicas neurocognitivas como la terapia de rehabilitacion cognitiva proporcionan la evaluacion y tratamiento de trastornos cognitivos de una gran variedad de enfermedades cerebrales y otros danos que causan incapacidad persistente para muchos individuos La rehabilitacion se dirige a las funciones cognitivas como la atencion la memoria y la funcion ejecutiva Ergonomia La busqueda de factores humanos y de ergonomia es un campo multidisciplinario con aportaciones de la psicologia la ingenieria la biomecanica diseno industrial diseno grafico estadisticas investigacion y operaciones de la antropometria Consiste en disenar equipos y dispositivos que se ajusten al cuerpo humano y a sus capacidades cognitivas Los terminos factores humanos y ergonomia son sinonimos La definicion que da la Asociacion Internacional de Ergonomia sobre la ergonomia o los factores humanos es La ergonomia o factores humanos es la disciplina cientifica que estudia las interacciones entre los seres humanos y otros elementos de un sistema Utiliza teoria principios datos y metodos con el fin de disenar y obtener asi un bienestar general y un buen rendimiento humano Su objetivo es conseguir un buen estado de salud seguridad y productividad Es relevante en el diseno de muebles maquinas y equipos El diseno ergonomico es necesario para prevenir lesiones por esfuerzos repetitivos y problemas musculoesqueleticos los cuales se pueden desarrollar con el tiempo y pueden alcanzar la discapacidad a largo plazo Los factores humanos o la ergonomia tiene que ver con la adaptacion entre el usuario el equipo y su entorno Tiene en cuenta las capacidades y las limitaciones del usuario con el fin de que pueda realizar las tareas o funciones Para evaluar la adaptacion entre la persona y la tecnologia utilizada los especialistas en ergonomia o factores humanos tienen en cuenta el trabajo o actividad que se esta llevando a cabo las demandas de los usuarios el equipo utilizado su tamano forma y lo apropiado que es para la tarea y la informacion utilizada la forma en que se presenta accede y cambia La ergonomia se basa en muchas disciplinas que estudian a los seres humanos y a su medio ambiente incluyendo la antropometria biomecanica ingenieria mecanica ingenieria industrial diseno industrial diseno de la informacion kinesiologia fisiologia y psicologia Metodologia EditarMuchos de los conocimientos generados por la biomecanica se basan en lo que se conoce como modelos biomecanicos Estos modelos permiten realizar predicciones sobre el comportamiento resistencia fatiga y otros aspectos de diferentes partes del cuerpo cuando estan sometidos a unas condiciones determinadas Los estudios biomecanicos se sirven de distintas tecnicas para lograr sus objetivos Algunas de las mas usuales son Analisis de fotogrametria Analisis de movimientos en 3D basado en tecnologia de video digital Una vez procesadas las imagenes capturadas la aplicacion proporciona informacion acerca del movimiento tridimensional de las personas o de los objetos en el espacio Analisis de comportamiento tension deformacion directo Este tipo de analisis se ocupa de determinar la resistencia de un material biologico ante la ejecucion de una fuerza que actua sobre este Estas fuerzas en sentido general pueden ser de tipo compresivo o bien de tipo traccion y generaran en la estructura dos cambios fundamentales Biomecanica computacional Se refiere a las simulaciones computarizadas de sistemas biomecanicos tanto para poner a prueba modelos teoricos y refinarlos como para las aplicaciones tecnicas Cambios en la tension Editar Nos referimos como tension mecanica al esfuerzo interno por unidad de area que experimenta el material frente a la aplicacion de la fuerza cualquiera sea esta y que corresponde a los fenomenos descritos por la Tercera Ley de Newton Accion y Reaccion De acuerdo con este principio la aplicacion de un nivel determinado de deformacion sobre un material flexible generara una tension mas pequena que en otro material mas rigido que bajo la misma deformacion experimentara una mayor tension La relacion entre el esfuerzo aplicado y las deformaciones experimentadas recibe el nombre de rigidez y depende del tipo de esfuerzo que sea de compresion de flexion torsional etc Cambios en la forma Editar Cuando se somete a un objeto cualquiera a la aplicacion de una fuerza en algun momento experimentara una deformacion observable Para los objetos mas bien elasticos dicha deformacion se alcanza con aplicaciones de fuerza de baja magnitud mientras que los materiales rigidos requieren de aplicacion de magnitudes de fuerza de mayor consideracion La grafica asociada al estudio de este fenomeno se conoce con el nombre de Curva Tension Deformacion de cuyo estudio es posible inferir el comportamiento del material Un punto aparte en esta consideracion lo representan los materiales viscoelasticos Dichos materiales se caracterizan por presentar un comportamiento diferente en el tiempo a pesar de que las condiciones de carga o deformacion a las que se les somete permanezcan constantes Esto quiere decir por ejemplo que si el material es sometido a una carga constante la deformacion del material inicialmente ocurre a una cierta velocidad y que con el paso del tiempo de carga mantenida dicha deformacion tiende a ser constante no experimentar variaciones Biomecanica computacional Editar La biomecanica computacional se refiere a la simulacion mediante ordenadores de sistemas biomecanicos complejos Usualmente se usan tanto modelos de solidos para simular comportamientos cinematicos como modelos de elementos finitos para simular propiedades de deformacion y resistencia de los tejidos y elementos biologicos El tipo de analisis requerido en general es en regimen de grandes deformaciones por lo que en general los modelos materiales usan relaciones no lineales entre tensiones y deformaciones Los tejidos blandos presentan comportamientos viscoelasticos gran capacidad disipacion de energia histeresis relajacion de tensiones precondicionado y creep Por lo que generalmente las ecuaciones constitutivas adecuadas para modelarlos son de tipo viscoelastico e involucran tanto a tensiones y deformaciones como a velocidades de deformacion Algunos tejidos blandos incluso pueden ser precondicionados sometiendolos a cargas ciclicas hasta el punto que las curvas de tension deformacion para los tramos de carga y descarga pueden llegar a practicamente solaparse El modelo mas comunmente usado para modelar la viscoelasticidad de los tejidos blandos es la teoria de la viscoelasticidad cuasilineal QLV Fotogrametria Editar Los estudios biomecanicos se sirven de distintas tecnicas para lograr sus objetivos Una de las mas usuales es la fotogrametria cuya implementacion de laboratorio es habitualmente costosa y requiere de algunos requisitos Frecuencia EditarLos fenomenos tal cual ocurren en nuestro entorno estan caracterizados porque tienen una determinada ocurrencia en el tiempo Por ejemplo la marcha normal de un sujeto es de aproximadamente un paso por segundo de manera que la frecuencia de este fenomeno se situa alrededor de 1 Hz un ciclo por segundo Si el elemento que pretende caracterizar este fenomeno normalmente una videocamara filma al sujeto a una frecuencia menor existiran partes del movimiento que no queden fielmente representadas en la filmacion Ruido EditarEl traspaso o la conversion analogica digital involucra la existencia de ruido proveniente de la multiplicidad de campos electromagneticos en nuestro ambiente que pueden deteriorar o modificar las condiciones de la imagen que se obtiene Sistema de coordenadas EditarEl analisis del movimiento requiere de un sistema de coordenadas sobre las cuales poder establecer los cambios de posicion linear o angular que experimenta el sujeto de estudio Este sistema de coordenadas representa el espacio global en el que el sujeto se desplazara El sujeto en si ademas debe estar provisto de algun tipo de marcador que caracterice el o los segmentos de estudio Dichos marcadores pueden ser pasivos o activos y se transforman en un nuevo sistema de referencia Sistema de Referencia Local Relacion entre tecnologia y biomecanica EditarArticulo principal Bioingenieria La tecnologia biomecanica a veces llamada bioingenieria se refiere tanto a dispositivos artificiales fabricados a partir de los resultados encontrados a partir de la investigacion biomecanica como a los instrumentos y tecnicas usados en la investigacion y adquisicion de nuevos conocimientos en el ambito de la biomecanica organos artificiales Editar Articulo principal organo artificial Son dispositivos y tejidos creados para sustituir partes del organismo danadas o que funcionan de forma incorrecta El analisis de un organo artificial debe considerarse en la construccion de estos aspectos tales como materiales que requieren unas particulares caracteristicas para poder ser implantados e incorporados al organismo vivo Ademas de las caracteristicas fisicas y quimicas de resistencia mecanica se necesita fiabilidad duracion y compatibilidad en un ambiente biologico que siempre tiene una elevada agresividad El mayor problema que se plantea la construccion de una protesis se refiere a la relacion entre el biomaterial y el tejido vital en el que se inserta ya que es muy importante el control de las reacciones quimicas de superficie y microestructura el tejido crece y tiende a incorporar incluso a nivel de los poros de la rugosidad superficial el material implantado Protesis Editar La sustitucion de organos por otros artificiales constituye la frontera avanzada de la ingenieria bionica Dejando aparte las protesis ortopedicas cuyo empleo ha tenido un enorme desarrollo gracias a la aplicacion de nuevos materiales y tecnicas de calculo asi como a los avances en las tecnicas de implantacion por lo que cada dia es mas amplia la gama de posibilidades de sustitucion de organos conocidos y menos conocido lo cual resulta de gran ayuda para pacientes y medicos un ejemplo de esto es la fabricacion de bombas de insulina para emplear en personas diabeticas Electromiografia analisis de la actividad electrica de los musculos Plantillas instrumentadas registro de las presiones ejercidas por el pie durante la marcha Baropodometro electronico Pasillo instrumentado con sensores de presion que registran las presiones plantares durante diferentes gestos de locomocion marcha trote carrera etc Plataformas de fuerza plataformas dinamometricas disenadas para registrar y analizar las fuerzas de accion reaccion y momentos realizados por una persona durante la realizacion de una actividad determinada Estudia las propiedades mecanicas cineticas y cinematicas de los organismos tomando en cuenta sus caracteristicas morfo funcionales Implantes Editar Un implante es un dispositivo medico fabricado para reemplazar una estructura biologica danada o mejorar una estructura biologica existente Los implantes medicos son fabricados por el hombre en contraste con un trasplante La superficie de estos que contacta con el cuerpo es de un material biomedico tal como el titanio silicona o apatita En algunos casos los implantes pueden ser electronicos por ejemplo un marcapasos artificial y los implantes cocleares Otros pueden ser bioactivos como son los dispositivos de administracion de farmacos por via subcutanea Sensores Editar Para intervenir sobre cualquier organo se requiere el control y la medicion continua de la intensidad del fenomeno Los sensores que constituyen el primer elemento del sistema son dispositivos que permiten detectar los fenomenos fisicos quimicos y electricos ofreciendo seriales de salida proporcionales a la intensidad de las entradas Las senales de entrada de muy diversos tipos y convertidas en la mayoria de los casos en magnitudes electricas ejemplo variaciones de presion y variaciones de resistencia electrica corresponden a variaciones de temperatura de deformacion muscular en los esfuerzos de presion venosa o arterial etc Los sensores pueden ser electrodos directos capaces de captar las senales procedentes de actividades celulares o pueden consistir en detectores de concentraciones de sustancias quimicas Estimuladores Editar Los estimuladores artificiales son utilizados para activar ciertos organos o funciones que aun estando sanos no funcionan como es debido a causa de lesiones del sistema nervioso central segun Claude Ville Una funcion extremadamente delicada es la que se lleva a cabo para estimular el musculo cardiaco a traves de un aparato marca pasos que permite regular los latidos cardiacos al proporcionar desde el exterior impulsos de corriente y que resulta vital en algunos casos de arritmias cardiacas El marca pasos consta de una bateria un generador y un modulador de impulsos electricos y un electrodo que transmite los impulsos al tejido cardiaco Existen muy diversos tipos de marca pasos en la actualidad se cuenta con mas de 200 tipos diferentes Los impulsos electricos generados por el aparato pueden ser se frecuencia fija es decir producidos a una frecuencia predeterminada sin ninguna relacion con la actividad del corazon pero en la actualidad se emplean mas los marcapasos a demanda o sea mediante impulsos desencadenados cuando el propio aparato reconoce un fallo en el ritmo cardiaco normal Referencias Editar Vera 1994 Y C Bert Fung The Father of Modern Biomechanics Archivado desde el original el 24 de agosto de 2007 Consultado el 14 de febrero de 2009 Fung Y C Elastic Environment of the Capillary Bed Circulation Research 1966 19 441 Bibliografia Editar Gutierrez Gilberto 2005 Principios de anatomia fisiologia e higiene educacion para la salud Principles of Anatomy Pyhsiology and Hygiene Education for Health Editorial Limusa pp 67 y 68 Bordoli Pablo 1995 Manual para el analisis de los movimientos Centro Editor Argentino Enlaces externos Editar Wikcionario tiene definiciones y otra informacion sobre biomecanica Biomecanica Universidad de Los Andes Venezuela ULA enlace roto disponible en Internet Archive vease el historial la primera version y la ultima Biomecanica Deportiva Biomecanica Clinica Instituto de Biomecanica de Valencia IBV Pagina de Edgar Lopategui Sociedad Internacional de Biomecanica ISB CIATEC Centro de Investigacion y Desarrollo en Calzado Articulo de caracter divulgativo sobre los 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