Si la "Ballesta es la Que Manda," ¿Por qué un Pie Protésico Que Absorbe Más y Retorna Menos Energía Permite a los Usu...

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La introducción del pie protésico con almacenamiento y retorno de energía (ESR -por sus siglas en inglés) ha representado un avance importante en el campo de la rehabilitación protésica. Los pies ESR suelen incorporar talones y quillas en el antepié que se deforman y se doblan durante la carga de peso y luego retroceden durante la descarga. Este retroceso elástico devuelve energía que es almacenada durante la flexión de la ballesta, y como resultado, el costo fisiológico o metabólico de la marcha se reduce en comparación con el uso de los pies tipo SACH.¹

Intuitivamente, el diseño de un pie que pesa menos y ofrece un mayor retorno de energía parece ser una meta razonable para los fabricantes de prótesis. Desde la introducción de los pies ESR, la tendencia de los fabricantes ha sido desarrollar pies que pesen menos pero que retornen más energía, en el entendido de que esto sería biomecánicamente beneficioso para los usuarios. La mayoría (aproximadamente el 85 por ciento o más) de los pies ESR tienen medios rígidos no articulados de fijación al pilón protésico. Otros incorporan un "amortiguador" de goma en el punto de unión que permite una articulación elásticamente controlada entre el pie y el pilón (por ej., el pie y el tobillo Multiflex de Endolite). Recientemente, los pies ESR que incorporan dispositivos de tobillo con una articulación pasiva, controlada hidráulicamente en el punto de unión están ahora clínicamente disponibles (por ejemplo, Echelon y Avalon de Endolite, el Sistema Pie/Tobillo Kinterra™ de Freedom Innovations y el MotionFoot® de Motion Control).

La adición de un componente hidráulico a un dispositivo protésico de pie/tobillo aumenta el peso del dispositivo en aproximadamente 500 grs. (1 lb.), si bien el amortiguador hidráulico, el cual controla pasivamente el nivel de flexión plantar o dorsal, absorbe la energía que luego es disipada en forma de calor dentro del líquido hidráulico. A la luz de la sabiduría común de que mientras más ligero, mejor, y que el retorno del resorte es beneficioso (por ej., "el resorte es el rey"), estas características son posiblemente perjudiciales en tanto que el peso aumentado podría incrementar el costo metabólico de la locomoción, y la disipación de energía significa que el retorno de energía desde el pie estará reducido en comparación con aquella de un pie no hidráulico.² A pesar de estas características aparentemente no deseables, un reporte reciente destaca que cuando los individuos con amputaciones transtibiales y transfemorales cambian de sus pies habituales no hidráulicos a usar dispositivos pie/tobillo hidráulicos, la satisfacción con sus prótesis aumenta.³ Más allá, el trabajo en nuestro propio laboratorio ha mostrado que la velocidad de la marcha auto-seleccionada aumenta cuando los sujetos cambian de sus habituales tobillos rígidos o elásticamente controlados con un pie ESR a un dispositivo pie-tobillo hidráulico.^4-7 Los aumentos en las velocidades de marcha auto-seleccionadas cuando los participantes cambiaron para los aditamentos hidráulicos fueron aproximadamente 5 a 7 por ciento mayor que sus velocidades de marcha cuando estaban usando sus pies ESR habituales para aquellos con amputaciones transfemorales y transtibiales unilaterales.⁷ Adicionalmente, cuando se les pidió a las personas con amputaciones transtibiales caminar al paso que ellos percibieran fuera más rápido o más lento, ellos de nuevo caminaron más rápido usando los pies hidráulicos que lo que lo hicieron con sus pies ESR no articulados habituales, aunque los incrementos de velocidad fueron menores en comparación a los niveles de velocidad a los que estaban acostumbrados.⁵ Como la velocidad de la marcha proporciona una indicación global del éxito de la rehabilitación para individuos con amputaciones de extremidad inferior, los aumentos de velocidad que siguen al cambio de uso de dispositivos tobillo-pie hidráulicos sugiere que el uso de tales pies debería tener un impacto clínicamente significativo sobre la rehabilitación.⁸ En un intento por entender cómo el uso de un pie que proporciona una articulación de tobillo pasiva, controlada hidráulicamente durante la fase de apoyo, puede beneficiar la locomoción de alguien con una amputación de extremidad inferior, en esta revisión se resumen los cambios claves en la biomecánica de la marcha que resultan del uso de dicho pie en comparación con un pie unido rígida o elásticamente. Al hacerlo, también se destacan cuáles características de diseño de este tipo de pie producen tales cambios.

La velocidad de la marcha se determina típicamente como la velocidad promedio de avance del centro de masa corporal (COM -por sus siglas en inglés). La velocidad instantánea del COM fluctúa a lo largo del ciclo de la marcha, siendo mayor en la fase de doble apoyo cuando el peso del cuerpo es transferido de una extremidad a la otra, y menor en la fase de apoyo monopodal cuando el peso del cuerpo es soportado solamente en una extremidad. Estos cambios de velocidad (aceleraciones) son el resultado de fuerzas aplicadas por cada extremidad cuando ellas están delante o detrás del COM, que a su vez son el resultado del trabajo mecánico positivo o negativo que se realiza en las caderas, las rodillas y el tobillo de la pierna intacta. Cuando una extremidad contacta el suelo durante la marcha, ésta está por delante del COM. Debido a la forma en que la quilla de un pie protésico ESR se deforma, ésta dificulta y/o retrasa la rotación hacia delante del pilón, causando un efecto de frenado que disminuye la velocidad de avance del COM.⁹ Anecdóticamente, este efecto de frenado es experimentado por aquellas personas con amputaciones de extremidad inferior como un punto plano o muerto durante la fase de apoyo de la extremidad protésica o como sensación de estancamiento o tener que pasar por encima de la prótesis. Esto se manifiesta como permanencia o incluso como un desplazamiento hacia atrás del punto debajo del pie protésico donde el vector de la fuerza de reacción (desde el suelo) está siendo aplicado (denominado centro de presión), y esta permanencia es indicativa de dificultad en la transferencia del peso del cuerpo desde el talón hacia la región anterior del pie.^10,11 La articulación de "tobillo" hidráulicamente controlada permite a la pierna protésica rotar hacia adelante más rápidamente durante la primera parte de la fase de apoyo y reduce la magnitud de cualquier estancamiento inapropiado o desplazamiento posterior del centro de presión debajo del pie protésico, y por lo tanto hay un reducido "efecto de frenado" desde el pie/pierna protésica.⁴ Por lo tanto la disminución de la velocidad de avance del COM durante el soporte monopodal sobre el lado protésico no es tan grande como la observada cuando se usa un pie ESR conectado rígidamente.⁷ En la fase de doble apoyo, el aumento de la velocidad de desplazamiento anterior del COM, según el peso corporal es transferido desde el lado protésico hacia la extremidad intacta, está inalterado por el uso de un dispositivo tobillo-pie hidráulico. Esto pone de manifiesto que la velocidad de marcha aumentada observada cuando las personas con amputaciones unilaterales de extremidad inferior cambian a dispositivos tobillo-pie hidráulicos parece estar producida por el pie exigiendo un efecto de frenado reducido durante el apoyo inicial y medio (de la extremidad protésica), en lugar de que esto afecte el aumento en la propulsión durante la parte final de la fase de apoyo (de la extremidad protésica).^4-7

Es bien conocido que el costo metabólico de la ambulación es mayor en las personas con amputaciones de extremidad inferior que en los individuos sanos cuando caminan a velocidades comparables.^12-15 Como consecuencia, a fin de mantener costos metabólicos similares, los individuos con amputaciones de miembro inferior tienden a elegir velocidades de marcha más lentas que las de las personas sanas.^13,16 Esto significa que el gasto de energía por metro recorrido es mucho mayor para las personas con amputaciones de miembros inferiores que para los individuos físicamente sanos.^13,17 A pesar del peso adicional de un dispositivo de tobillo-pie hidráulico y su disipación de energía aumentada comparada con aquella de un pie ESR conectado tradicionalmente,⁵ nosotros hemos determinado recientemente que el costo metabólico de caminar (en una banda caminadora) a velocidades variadas (entre 80 por ciento y 160 por ciento de la velocidad de marcha habitual de cada individuo) y sobre variadas inclinaciones (0 grados, 5 grados y 10 grados) está reducido en promedio, un 12 por ciento cuando los individuos con amputaciones transtibiales cambian de usar un pie ESR conectado rígidamente pero por lo demás idéntico, a un dispositivo tobillo-pie hidráulico.¹⁸ Por otra parte, cuando se usa un dispositivo tobillo-pie hidráulico, hay una reducción en el trabajo mecánico de la articulación por metro recorrido sobre la extremidad intacta, especialmente en el tobillo intacto.⁵ Esto sugiere que el efecto compensatorio requerido por aquellos con amputaciones transtibiales unilaterales durante la marcha es reducido cuando ellos usan tales dispositivos; esto explica, por lo menos parcialmente, la reducción en el costo metabólico. El efecto de frenado reducido desde el pie/pierna protésica puede ser la razón por la cual el esfuerzo compensatorio requerido por las personas con amputaciones transtibiales unilaterales está reducido.⁷

En otro estudio llevado a cabo fuera del entorno del laboratorio de marcha por un grupo de investigación en Israel, la presión en el extremo distal del miembro residual estaba reducida en los individuos con amputaciones transtibiales cuando usaban componentes tobillo-pie hidráulicos, en comparación a sus prótesis habituales.¹⁹ Esta reducción de la presión implica un aumento en la comodidad de la cuenca protésica y puede estar relacionada con el efecto de frenado reducido ejercido por el pie o la pierna. Este aumento de la comodidad/reducción de la presión, junto a mayor velocidad de rotación anterior de la pierna durante el apoyo inicial, probablemente explica como la flexión de respuesta a la carga de la rodilla residual y la carga del pilón protésico durante la fase de apoyo, también están incrementadas cuando se usa un dispositivo hidráulico comparado a un pie ESR conectado rígidamente, manteniendo todo lo demás idéntico.^4,5 Tales incrementos de las respuestas de carga no causan un aumento en los momentos de la rodilla-residual, lo cual es importante ya que cualquier aumento crearía un torque en la cuenca protésica lo que podría comprometer la integridad de la suspensión o pudiera dar al usuario la sensación de que la cuenca protésica se está saliendo del miembro residual.⁵

Junto con un aumento en la velocidad de la marcha, la distancia mínima entre los dedos del pie y el suelo durante la fase de balanceo se ha mostrado aumentada en ambas extremidades cuando los individuos con amputaciones transtibiales unilaterales cambian para dispositivos tobillo-pie hidráulicos.⁶ El aumento en la distancia mínima entre los dedos del pie y el piso para la extremidad intacta coincidió con un aumento en la flexión de la cadera durante la fase de balanceo como resultado de una velocidad de marcha mayor. Anteriormente, tales aumentos relacionados con la velocidad habían sido observados en individuos sanos y en la extremidad intacta en las personas con amputaciones transtibiales unilaterales.^20,21 Estos aumentos relacionados con la velocidad están, sin embargo, normalmente ausentes en el lado protésico.²¹ El aumento en la distancia mínima entre los dedos del pie y el suelo, por lo tanto, es una consecuencia del aditamento que es "dorsiflexionado" al hacer el despegue de los dedos, lo que tendría el efecto de elevar el borde delantero del (calzado) pie protésico a lo largo de la fase de balanceo. Un aumento en la flexión de la cadera durante la fase de balanceo en el lado protésico también se observó en velocidades mayores, sin embargo la flexión de la rodilla residual acompañante estaba reducida, contrarrestando cualquier incremento en la distancia mínima entre los dedos del pie y el suelo como resultado del aumento en la flexión de la cadera relacionado con la velocidad.⁶ Esto pone de manifiesto que los aumentos en la distancia mínima entre los dedos del pie y el suelo fueron producidos por la dorsiflexión del pie durante el balanceo de la extremidad protésica en lugar de estar en la posición neutral, como estaría en el pie conectado rígida o elásticamente. Se sabe que las personas con amputaciones de extremidad inferior tienen un mayor riesgo de tropezar y caer que los individuos físicamente sanos, y el riesgo de tropezar es mayor en el momento de la mínima distancia entre los dedos del pie y el suelo.^22,23 Como tal, las observaciones antes mencionadas sugieren que el uso de dispositivos de tobillo-pie hidráulicos puede potencialmente reducir el riesgo de tropiezos y caídas en individuos con amputaciones de extremidades inferiores.

Conclusión

Los hallazgos discutidos en este artículo sugieren que la articulación pasiva, controlada hidráulicamente entre el pie protésico y el pilón de la pierna protésica proporciona ventajas biomecánicas, beneficios metabólicos y mejora la seguridad de la marcha a los individuos con amputaciones de extremidad inferior. Debe destacarse, sin embargo, que todos los participantes en estos estudios estaban por lo demás sanos y activos, siendo todos clasificados por sus médicos tratantes por lo menos con niveles de ambulación K3. Por lo tanto, si bien estos hallazgos deberían ser ciertos para otros que están sanos y activos, pueden no ser ciertos para los que sufren de otras condiciones médicas o que están menos activos, y por lo tanto tienen una marcha pobre o inestable.

Un tema de futura investigación podría establecer si el uso de un dispositivo de tobillo-pie hidráulico es igualmente beneficioso para los niveles de ambulación K2. Además, un pequeño número de participantes dentro de los estudios revisados en este documento (aquellos con amputaciones transtibiales o transfemorales) comentó sobre las sensaciones iniciales de movimiento y/o inestabilidad estando de pie relajadamente cuando ellos fueron equipados primero con dispositivos tobillo-pie hidráulico. Esto no es sorprendente dado que el dispositivo una vez colocado permite tanto la flexión plantar como la flexión dorsal desde una posición neutra estando de pie. El uso de tal dispositivo puede, por lo tanto, ser inapropiado para aquellos con estabilidad postural comprometida y/o marcha inestable. Finalmente, todos los estudios revisados en este documento investigaron los efectos del uso de un dispositivo tobillo-pie hidráulico Echelon comparado con el pie ESR unido rígida o elásticamente, habitual del paciente. La función de un dispositivo protésico tobillo-pie que incorpora un control pasivo hidráulico de la articulación será, como la de cualquier otro dispositivo de pie protésico, determinado por un número de factores de diseño tales como la rigidez de la quilla y la geometría de pivote y no solamente por el componente hidráulico. Por lo tanto, el uso de otros tipos de dispositivos de tobillo-pie hidráulicos, que permitan la articulación pasiva amortiguada hidráulicamente durante la fase de apoyo, puede dar lugar a efectos similares a los descritos, pero igualmente puede que no. Por lo tanto, se debe tener cuidado al extrapolar estos resultados a otros dispositivos de tobillo-pie hidráulicos disponibles en el mercado.

Al De Asha, PhD, es un investigador en la División de Ingeniería Médica de la Universidad de Bradford, Reino Unido. Él puede ser contactado en .

John Buckley, PhD, es un lector en biomecánica del movimiento en la División de Ingeniería Médica de la Universidad de Bradford. Él puede ser contactado en .

Agradecimientos

Los autores completaron recientemente un proyecto de investigación, financiado en el Reino Unido por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas (subvención EP/H010491/1), para investigar los mecanismos de control sensorimotor usados por personas con amputaciones de extremidad inferior y cómo los desarrollos recientes en prótesis de miembros inferiores podrían afectar dichos controles. La mayoría de los artículos dentro de esta revisión que se refieren al impacto del uso de un dispositivo pie-tobillo hidráulico forma parte de la producción de este proyecto de investigación.^4-7,18,21

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Traducción al Español
José Paúl Rodríguez M. MD
Médico Fisiatra
Santo Domingo, República Dominicana