12.1 Cálculo de la compresión y la cizalladura en el disco intervertebral L4/L5
La fuerza de compresión que actúa sobre los discos intervertebrales lumbares no depende únicamente del peso de una carga externa. El peso de los segmentos corporales y las cargas sostenidas generan momentos en la región lumbar que deben equilibrarse mediante la acción de los músculos del tronco. Entre ellos intervienen los erectores espinales, situados en la región posterior, y distintos músculos de la pared abdominal. Las fuerzas musculares necesarias para mantener el equilibrio pueden añadir una componente importante de compresión sobre el disco, por lo que el cálculo debe considerar conjuntamente las cargas externas, el peso corporal y la actividad muscular estimada.
La presión intraabdominal70F1 también interviene en el equilibrio mecánico de la región lumbar. La contracción coordinada de la pared abdominal, el diafragma y el suelo pélvico eleva la presión dentro de la cavidad abdominal y genera una fuerza cuyo momento puede contribuir a equilibrar el momento de flexión. En el modelo, esta contribución reduce parte del momento que deben compensar los músculos del tronco. No obstante, la presión intraabdominal y la activación muscular están relacionadas, por lo que su efecto sobre la compresión discal no debe interpretarse como una descarga directa e independiente de las demás fuerzas.
Para descomponer las fuerzas en componentes de compresión axial y cizalladura es necesario estimar la orientación espacial del disco L4/L5 en la postura analizada. Ergoniza Intelligent calcula dicha orientación a partir de la configuración del tronco y de los miembros inferiores y proyecta sobre el sistema local del disco las fuerzas musculares, la presión intraabdominal y la resultante de las cargas externas.
En definitiva, el cálculo requiere conocer la fuerza y el momento resultantes de los segmentos corporales situados por encima de L4/L5 y de las cargas externas, estimar la contribución de la presión intraabdominal y de los músculos del tronco y determinar la orientación local del disco. A partir de estas magnitudes se obtienen la fuerza de compresión axial y las componentes de cizalladura anteroposterior y lateral.
Para realizar estos cálculos, Ergoniza Intelligent emplea un modelo tridimensional con diez músculos del tronco, agrupados en cinco parejas bilaterales. El cálculo se realiza en el espacio intervertebral L4/L5, nivel para el que existe información anatómica sobre las áreas musculares, las líneas de acción y los brazos de momento utilizados por este tipo de modelos.
La Figura 62 facilita la comprensión del procedimiento. En primer lugar, Ergoniza Intelligent estima la orientación del plano transversal del disco intervertebral L4/L5 a partir de la postura del tronco y de los miembros inferiores71F2. Este plano y su sistema de referencia local se muestran en azul en la figura.
El objetivo del procedimiento es calcular la fuerza de compresión sobre el disco (C en la Figura 62) y las fuerzas cortantes anteroposterior (Cor y) y lateral (Cor x). Estas tres componentes forman la reacción necesaria para equilibrar, en el sistema local del disco, la resultante de las demás fuerzas. Además, la suma vectorial de los momentos respecto a L4/L5 debe ser igual a cero.
Las fuerzas consideradas son la fuerza asociada a la presión intraabdominal (Fa), el peso de los segmentos situados por encima de L4/L5 y las cargas sostenidas (P), las fuerzas de contracción de los diez músculos del tronco (Xd, Xi, Id, Ii, Ed, Ei, Ld, Li, Rd y Ri) y las tres componentes de la reacción en el disco.
La resultante P y el momento que genera respecto a L4/L5 se obtienen mediante el análisis de cargas articulares descrito en la Sección 8. La fuerza Fa y su momento se calculan mediante el procedimiento expuesto en la Sección 12.1.1.
El modelo incluye cinco parejas de músculos del tronco: Latissimus dorsi, Erector spinae, Rectus abdominis, Obliquus externus y Obliquus internus. Para cada músculo se define un área de sección transversal, una línea de acción y un brazo de momento respecto a L4/L5. Ergoniza Intelligent utiliza conjuntos de parámetros diferenciados para hombres y mujeres, obtenidos de la gran variedad de estudios que han abordado la geometría de los músculos abdominales72F3.
Figura 62 62: Modelo tridimensional para el cálculo de la compresión del disco intervertebral L4/L5.
Cuando el modelo se encuentra en sedestación sobre una silla y está activada la opción Respaldo, Ergoniza Intelligent aplica la simplificación descrita en la Sección 7.7.6. Si la componente local de flexión-extensión del momento en L4/L5 corresponde a flexión, dicha componente se anula antes de calcular la actividad muscular. Las componentes de lateralización y rotación se conservan y las fuerzas de reacción externas no se modifican, ya que no se modelizan la geometría ni el punto de aplicación de la reacción del respaldo. A partir del momento corregido, el programa recalcula la actividad muscular, la compresión y las fuerzas cortantes. Por ello, la compresión no se hace necesariamente nula ni tiene que disminuir en todos los casos.
La determinación de las fuerzas musculares constituye un problema estáticamente indeterminado, porque existen más fuerzas desconocidas que ecuaciones independientes de equilibrio. Ergoniza Intelligent lo resuelve mediante dos problemas sucesivos de programación lineal, descritos en la Sección 12.1.2. Antes se expone el cálculo de la fuerza asociada a la presión intraabdominal y de su brazo de momento.
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