8.2.2 Cargas en las articulaciones inferiores en modelo con apoyo
Cuando existen apoyos, el procedimiento de cálculo depende del número y del tipo de contactos detectados. En primer lugar, se distingue entre apoyo unilateral y bilateral. Posteriormente, la secuencia de cálculo se adapta en función de que el contacto se produzca mediante los pies, las rodillas o las caderas. La sedestación sobre una silla se trata mediante un procedimiento específico.
Cuando existe un apoyo unilateral (por ejemplo, en monopedestación) uno de los lados del cuerpo no transmite ninguna reacción al suelo. En consecuencia, las cargas procedentes de la parte superior del cuerpo y del miembro inferior no apoyado deben transmitirse a través del lado apoyado hasta el punto de contacto.
Las cargas procedentes de la parte superior del cuerpo y del miembro inferior no apoyado confluyen en la pelvis. A partir de ella, el cálculo continúa descendiendo por el miembro apoyado, como se muestra en la Figura 32 (A). Cuando el apoyo se produce en el pie, la secuencia atraviesa la cadera, la rodilla y el tobillo. Si el apoyo se produce en la rodilla o en la cadera, la cadena termina en esa zona de contacto. Finalmente, las cargas de la articulación conectada al apoyo permiten determinar las reacciones correspondientes.
Figura 32 32: Secuencia de cálculo de las cargas articulares en monopedestación (A) y bipedestación (B).
Cuando el modelo se encuentra en bipedestación, ambas piernas están en contacto con el suelo y las cargas procedentes de la parte superior del cuerpo deben distribuirse entre ellas. En estas circunstancias, las ecuaciones de equilibrio no bastan por sí solas para determinar cómo se reparten todas las reacciones entre los dos miembros inferiores. El sistema es, por tanto, hiperestático y requiere un procedimiento adicional para calcular las cargas articulares.
En el apoyo bilateral, Ergoniza Intelligent comienza determinando las fuerzas y los momentos de reacción en los apoyos mediante el procedimiento descrito en la Sección 7. Para ello utiliza la posición del Centro de Presiones respecto a la Base de Soporte y la distribución de las cargas externas. Cuando únicamente actúan los pesos de los segmentos corporales, la posición de la resultante se obtiene a partir del Centro de Masa Corporal. Una vez conocidas las reacciones en los apoyos, el programa calcula las cargas en los tobillos, las rodillas y, finalmente, las caderas. El cálculo se realiza, por tanto, desde los apoyos hacia la pelvis, como se muestra en la Figura 32 (B).
La forma concreta de realizar el cálculo está condicionada por el tipo de apoyo. Los apartados siguientes describen los procedimientos aplicados cuando el contacto se produce mediante los pies, las rodillas o las caderas, así como las particularidades asociadas a las posturas con flexión extrema.
Cuando el modelo se encuentra sentado en una silla, el asiento actúa como un apoyo adicional de la pelvis. Ergoniza Intelligent aplica entonces un procedimiento específico que tiene en cuenta si cada pie está o no en contacto con el suelo y adapta la transmisión de las cargas por las articulaciones de los miembros inferiores. El modelo empleado para representar el apoyo sobre el asiento y el respaldo se describe en la Sección 7.7.6.
8.2.2.1 Cálculo de las cargas en los tobillos con apoyo en los pies
Cuando el apoyo del lado analizado se produce únicamente mediante el pie, sin que exista contacto simultáneo de la rodilla o la cadera con el suelo, las reacciones conocidas en los apoyos del pie permiten calcular la carga en el tobillo. Siguiendo la notación mostrada en la Figura 33, esta carga está formada por la fuerza FTob, con componentes FTobx, FToby, FTobz , y el momento MTob (MTobx, MToby, MTobz). Al tratarse de un sistema estático, la suma de las fuerzas y de los momentos que actúan sobre el pie debe ser nula.
Figura 33 33: Cálculo de las cargas en el tobillo.
Para establecer el equilibrio de momentos respecto al tobillo se consideran los momentos generados por la reacción en el talón (FT),la reacción en la parte anterior del pie (FP) y el peso propio del pie (PP). También se incorporan, cuando existen, los momentos de reacción calculados en los apoyos del talón y de la parte anterior del pie, representados respectivamente por MP y MP. Estas condiciones de equilibrio se expresan en la Ecuación 4.
\[\overrightarrow{F_{Tob}} + \overrightarrow{F_{T}} + \overrightarrow{F_{P}} + \overrightarrow{P_{P}} = \overrightarrow{0}\]
\[\overrightarrow{M_{Tob}} + {\overrightarrow{r}}_{Tob \rightarrow T} \times \overrightarrow{F_{T}} + {\overrightarrow{r}}_{Tob \rightarrow P} \times \overrightarrow{F_{P}} + {\overrightarrow{r}}_{Tob \rightarrow CdG} \times \overrightarrow{P_{P}} +\]
\[+ \overrightarrow{M_{T}} + \overrightarrow{M_{P}} = \overrightarrow{0}\]
Ecuación 4 4
8.2.2.2 Cálculo de las cargas en las rodillas y las caderas con apoyo en los pies
Cuando los apoyos se producen exclusivamente en los pies, una vez conocidas las fuerzas y los momentos transmitidos por los tobillos pueden calcularse las cargas en las rodillas siguiendo el mismo procedimiento mostrado al comienzo de la Sección 8. Para ello se incorporan la carga transmitida por el tobillo, el peso propio de la pierna y las posibles cargas externas aplicadas sobre este segmento. A continuación, las cargas calculadas en las rodillas, junto con el peso de los muslos y las cargas externas correspondientes, permiten obtener las cargas en las caderas. El cálculo avanza, por tanto, desde los apoyos hacia la pelvis aplicando sucesivamente las ecuaciones de equilibrio.
8.2.2.3 Cálculo de las cargas en los tobillos y las rodillas cuando existe apoyo de rodilla
Como se explicó en la Sección 7.5, Ergoniza Intelligent detecta el contacto de las rodillas con el suelo y calcula las fuerzas de reacción correspondientes. Cuando existe este tipo de contacto, las cargas articulares ya no dependen únicamente de las reacciones en los apoyos del pie, sino también de la reacción ejercida por el suelo sobre la rodilla. Por ello, el cálculo de las cargas en el tobillo y en la rodilla difiere del procedimiento descrito en las Secciones 8.2.2.1 y 8.2.2.2.
La Figura 34 muestra, como ejemplo, una pierna apoyada simultáneamente sobre la rodilla y sobre la parte anterior del pie. El mismo procedimiento puede aplicarse al lado contrario y a otras configuraciones equivalentes. Para facilitar la interpretación, la figura representa únicamente las fuerzas de reacción en los apoyos y las cargas articulares; los momentos no se han incluido.
En la situación representada aparecen dos fuerzas de reacción: RR aplicada en el apoyo de la rodilla, y RP aplicada en la parte anterior del pie. La carga FT calculada en el tobillo debe equilibrar la reacción Rp y el peso propio del pie (PPPIE). El momento en el tobillo se obtiene considerando los momentos que estas fuerzas producen respecto a la articulación y, cuando corresponda, los momentos de reacción calculados en los apoyos.
Figura 34 34: Fuerzas consideradas en el cálculo de las cargas del tobillo y la rodilla cuando existe apoyo de rodilla.
La fuerza FR calculada en la rodilla debe equilibrar la carga transmitida por el tobillo, el peso propio de la pierna (PPPierna) y la reacción (RR) ejercida por el suelo sobre la rodilla. En la simplificación empleada por Ergoniza Intelligent, RR se considera aplicada en el centro de la articulación y no genera momento respecto a ella. El momento en la rodilla se obtiene a partir del momento transmitido por el tobillo y de los momentos producidos por la carga del tobillo y el peso propio de la pierna.
8.2.2.4 Tratamiento del momento articular en la rodilla cuando existe flexión extrema de la pierna
En una situación en la que existe contacto con el suelo, de los pies y/o las rodillas y la flexión de las piernas sobre los muslos es extrema, existe apoyo de los muslos sobre las piernas. Debido a este apoyo, los músculos de la articulación de la rodilla no necesitan vencer el momento correspondiente a las cargas situadas por encima en la cadena cinemática.
Cuando el pie está apoyado en el suelo y la flexión de la rodilla es muy elevada, Ergoniza Intelligent supone que la parte posterior del muslo entra en contacto con la pierna y proporciona un apoyo pasivo. Bajo esta simplificación, el momento generado por las cargas situadas por encima de la rodilla no se atribuye a la musculatura que actúa sobre la articulación. El contacto entre el muslo y la pierna se infiere a partir del ángulo de flexión y de la existencia de apoyo del pie.
La Figura 35 muestra dos configuraciones compatibles con esta simplificación. En la imagen principal, el modelo adopta una postura en cuclillas en la que la parte posterior de los muslos puede apoyarse sobre las piernas. La imagen de detalle muestra que esta situación también puede coexistir con el apoyo de las rodillas sobre el suelo, siempre que se mantenga el contacto correspondiente del pie.
Figura 35 35: Situaciones de flexión extrema en las que el modelo anula el momento articular de la rodilla.
Cuando el pie está en contacto con el suelo y el ángulo de flexión de la rodilla es superior a 157°, Ergoniza Intelligent hace nulo el momento articular calculado en la rodilla. Esta condición puede coexistir con el apoyo de la propia rodilla sobre el suelo. La fuerza articular no se anula y continúa calculándose mediante las ecuaciones de equilibrio.
Aunque Ergoniza Intelligent anule el momento de carga en esta situación es conveniente analizar con cuidado esta postura. La anulación del momento es una simplificación del modelo y no significa que la rodilla quede descargada. La fuerza articular continúa actuando y no se calculan de forma explícita las presiones de contacto ni la distribución local de cargas sobre el cartílago, los meniscos o los ligamentos.
Los estudios epidemiológicos han encontrado una asociación entre la exposición acumulada a tareas realizadas de rodillas o en cuclillas y una mayor frecuencia de artrosis sintomática de rodilla. Esta asociación puede ser más importante cuando dichas posturas se mantienen o repiten durante periodos prolongados y se combinan con la manipulación de cargas adicionales8F1.
En consecuencia, un momento articular nulo en este caso no debe interpretarse como ausencia de carga ni de riesgo ergonómico. La fuerza calculada en la rodilla y los resultados de los métodos de valoración postural deben considerarse conjuntamente al analizar este tipo de posturas.
8.2.2.5 Cálculo de las cargas en las articulaciones inferiores cuando existe apoyo de cadera
Cuando la cadera del lado analizado entra en contacto con el suelo, aparece en ese punto una fuerza de reacción que modifica el cálculo de las cargas en las articulaciones inferiores correspondientes. El procedimiento difiere del descrito para el apoyo exclusivo de los pies en las secciones 8.2.2.1 y 8.2.2.2 y es análogo al empleado cuando existe apoyo de rodilla, descrito en la Sección 8.2.2.3.
La Figura 36 muestra, como ejemplo, una pierna apoyada simultáneamente sobre el talón y la cadera. El mismo procedimiento puede aplicarse al lado contrario y a otras configuraciones equivalentes. Para facilitar la interpretación, la figura representa las fuerzas de reacción en los apoyos y las cargas articulares; los momentos no se han incluido.
En la situación representada aparecen dos fuerzas de reacción: RT, aplicada en el talón, y RC, aplicada en la cadera. Ambas se representan mediante sus componentes en X, Y y Z. También se muestran las fuerzas articulares calculadas en el tobillo, la rodilla y la cadera.
Figura 36 36: Fuerzas consideradas en el cálculo de las cargas del tobillo, la rodilla y la cadera cuando existe apoyo de cadera.
La carga en el tobillo, FTal, corresponde, en esta situación, al peso del peso propio del pie (PPPIE) más la reacción en el talón RT (considerando que ambos tienen signos contrarios). El momento de reacción en el tobillo (no representado en la imagen) será el momento provocado en el tobillo por RT y PPPIE.
La fuerza articular FTal calculada en el tobillo debe equilibrar la reacción RT ejercida por el suelo sobre el talón y el peso propio del pie, PPPIE. El momento en el tobillo se obtiene considerando los momentos que estas fuerzas producen respecto a la articulación. Al resultado se incorporan, cuando corresponda, los momentos residuales descritos en la Sección 8.3.
La fuerza articular FR calculada en la rodilla debe equilibrar la carga transmitida por el tobillo, el peso propio de la pierna, PPPierna, y las posibles cargas externas aplicadas sobre este segmento. El momento en la rodilla se obtiene a partir del momento transmitido por el tobillo y de los momentos que dichas fuerzas producen respecto a la articulación.
Finalmente, la fuerza articular FC calculada en la cadera debe equilibrar la carga transmitida por la rodilla, el peso propio del muslo, PPMuslo, las posibles cargas externas aplicadas sobre este segmento y la reacción RC ejercida por el suelo sobre la cadera. Ergoniza Intelligent, considera RC aplicada en el centro de la articulación y, por tanto, no genera momento respecto a ella. El momento en la cadera se obtiene a partir del momento transmitido por la rodilla y de los momentos producidos por las restantes fuerzas.
A. Klussmann et al., “Individual and Occupational Risk Factors for Knee Osteoarthritis: Results of a Case-Control Study in Germany,” Arthritis Research and Therapy 12, no. 3 (2010): R88, doi:10.1186/ar3015; A. Seidler et al., “The Role of Cumulative Physical Work Load in Symptomatic Knee Osteoarthritis - A Case-Control Study in Germany,” Journal of Occupational Medicine and Toxicology 7, no. 1 (2008): 21, doi:10.1186/1745-6673-3-14.↩︎