Perspectivas actualizadas sobre el papel de la biomecánica en la EPOC: consideraciones para el clínico

by | Dic 20, 2022 | 0 comments

jennifer m yentes,1 Wai Yan Liu,2,3 kuan zhang,4 Eric Markvicka,4,5 Esteban I Rennard6

1Departamento de Kinesiología y Gestión Deportiva, Texas A&M University, College Station, TX, EE. UU.; 2Departamento de Cirugía Ortopédica y Trauma, Máxima MC, Eindhoven, Países Bajos; 3Departamento de Cirugía Ortopédica y Trauma, Hospital Catharina, Eindhoven, Países Bajos; 4Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad de Nebraska en Lincoln, Lincoln, NE, EE. UU.; 5Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales, Universidad de Nebraska en Lincoln, Lincoln, NE, EE. UU.; 6Departamento de Medicina Interna, División de Medicina Pulmonar, de Cuidados Críticos y del Sueño, Centro Médico de la Universidad de Nebraska, Omaha, NE, EE. UU.

Correspondencia: Jennifer M Yentes, Texas A&M University, Department of Kinesiology and Sport Management, 4243 TAMU, Gilchrist 322, College Station, TX, 77843, USA, Tel +1 979-862-5396, Correo electrónico [email protected]

Abstracto: Los pacientes con enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) muestran un deterioro funcional extrapulmonar, como una mayor prevalencia de caídas. La biomecánica ofrece información sobre el declive funcional al examinar la mecánica de los patrones de movimiento anormales. Esta revisión analiza la biomecánica de los resultados funcionales, la mecánica muscular y la mecánica respiratoria en pacientes con EPOC, así como las direcciones futuras y las perspectivas clínicas. Los pacientes con EPOC muestran cambios en su balanceo postural durante la bipedestación tranquila en comparación con los controles, y estos déficits se exacerban cuando se manipula la información sensorial (p. ej., ojos cerrados). Si el equilibrio de pie se interrumpe con una perturbación, los pacientes con EPOC tardan más en volver a la línea de base y su actividad muscular es diferente a la de los controles. Al caminar, los pacientes con EPOC parecen adoptar un patrón de marcha que puede aumentar la estabilidad (p. ej., pasos más cortos y más anchos, disminución de la velocidad de la marcha) además de alteración de la variabilidad de la marcha. Las alteraciones de la mecánica muscular biomecánica (es decir, tensión, extensibilidad, elasticidad e irritabilidad) con la EPOC no están bien documentadas, con relativamente pocos artículos que investiguen estas propiedades. Por otro lado, el movimiento asincrónico del abdomen y la caja torácica durante la respiración está bien documentado en pacientes con EPOC. Las tecnologías biomecánicas más nuevas han permitido la estimación de volúmenes pulmonares regionales y compartimentales durante actividades como el ejercicio, así como la activación de los músculos respiratorios durante la respiración. Las direcciones futuras de los análisis biomecánicos en la EPOC tienden hacia sensores portátiles, big data y computación en la nube. Cada uno de estos ofrece oportunidades únicas, así como desafíos. El análisis avanzado de los datos de los sensores puede ofrecer información sobre la salud de un sistema al cuantificar la complejidad o las fluctuaciones en los patrones de movimiento, ya que los sistemas saludables demuestran flexibilidad y, por lo tanto, se adaptan a las condiciones cambiantes. La biomecánica puede ofrecer utilidad clínica en la predicción de reingresos a los 30 días, identificar la gravedad de la enfermedad y monitorear al paciente. La biomecánica es complementaria a otras evaluaciones, capturando lo que hacen los pacientes, así como su capacidad.

Palabras clave: cinemática, cinética, control postural, mecanomiografía, equilibrio, wearables

Se ha publicado una carta al editor para este artículo..

Introducción

La enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) no es estrictamente una enfermedad de los pulmones. Las consecuencias extrapulmonares incluyen fatiga muscular,1 debilidad muscular2 y mayor riesgo de caídas, que a menudo son las principales preocupaciones de los pacientes, así como la disfunción de muchos otros sistemas de órganos. Las posibles explicaciones fisiológicas de las alteraciones en la fisiología del músculo esquelético incluyen atrofia, cambio de tipo de fibra, pérdida y/o disfunción mitocondrial y cambios estructurales3–8 (Figura 1). Además, los pacientes con EPOC (PwCOPD) muestran una disminución funcional extrapulmonar drástica que progresa con la gravedad de la enfermedad que puede ser independiente de la disminución de la función pulmonar.9 Los resultados funcionales se pueden medir de varias maneras. En particular, el estudio científico del movimiento humano, la kinesiología, es un paraguas general que contiene las disciplinas de la fisiología del ejercicio, el control/aprendizaje motor, el desarrollo motor y la biomecánica. En este contexto, la capacidad de ejercicio funcional, la fuerza muscular periférica, la marcha/movilidad, el equilibrio y la actividad física, parámetros dentro del ámbito de la biomecánica, se ven afectados en la EPOCw.2,10–17

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Figura 1 Representación simplificada de la fisiopatología de la EPOC que conduce a alteraciones biomecánicas. La pérdida/disfunción mitocondrial, el aumento de células inflamatorias circulantes, la atrofia muscular y las alteraciones en la unión neuromuscular contribuyen a la disminución de la fuerza muscular, la tasa de generación de fuerza y ​​la actividad física, así como al aumento de la fatiga y la debilidad muscular. Estos factores, junto con muchos otros, contribuyen a la alteración de la biomecánica, la disminución de la capacidad de ejercicio, el aumento de la inactividad física y la intolerancia al ejercicio. Creado con BioRender.com.

¿Qué es la Biomecánica?

La biomecánica se define como el estudio científico de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo y las reacciones que produce. En esencia, representa “la amplia interacción entre la mecánica y los sistemas biológicos”.18 Las investigaciones biomecánicas abarcan la mecánica de todo el cuerpo a nivel de tejido. Las áreas biomecánicas de interés incluyen clínica, ingeniería, imágenes y propiedades de materiales, modelos y robótica, deportes y mecánica animal. La biomecánica clínica, en particular, investiga lesiones, patologías, prótesis y rehabilitación. La aplicación de la biomecánica a cuestiones clínicas es extensa. La investigación clínica que utiliza la biomecánica ha incluido la observación, el diagnóstico, el seguimiento y la rehabilitación.

Los análisis biomecánicos de laboratorio podrían considerarse el microscopio del movimiento, con precisiones de < 1 mm. Las herramientas o métodos comunes incluyen el uso de captura de movimiento (cinemática), plataformas de fuerza (cinética), acelerómetros, unidades de medición de inercia, dinamómetros computarizados y ultrasonido (Figura 2). La captura de movimiento se utiliza para registrar dónde se encuentra el cuerpo en el espacio. Usando pequeños marcadores retrorreflectantes, uno puede identificar exactamente cómo está posicionado el cuerpo y qué tan rápido se está moviendo. La captura de movimiento se utiliza para calcular los ángulos de las articulaciones, la aceleración de una extremidad o incluso la velocidad de la marcha. Las plataformas de fuerza se utilizan para medir la cantidad de fuerza ejercida por el cuerpo en tres direcciones: vertical (sinónimo de peso corporal cuando está parado) y direcciones anteroposterior y mediolateral (ambas fuerzas de cizallamiento). Los datos de fuerza en combinación con los datos de captura de movimiento pueden proporcionar información sobre el par, el trabajo y la potencia realizados en cada articulación. Las unidades de medida de inercia incluyen un acelerómetro, un giroscopio y un magnetómetro. Se encuentran en teléfonos inteligentes y relojes, así como en otros dispositivos portátiles y se utilizan para el conteo de pasos y el seguimiento de la actividad. En los casos en que la captura de movimiento no está disponible, se han utilizado para estimar la posición del cuerpo. El dinamómetro más conocido es el dinamómetro de empuñadura que proporciona una lectura de la fuerza de prensión. Un dinamómetro computarizado es similar en el sentido de que proporcionará información sobre la fuerza muscular o la resistencia de casi cualquier articulación. Dependiendo de los ajustes, se pueden evaluar la fuerza y ​​la resistencia isotónicas (es decir, concéntricas o excéntricas), isométricas o isocinéticas. También se puede medir la tasa de producción de fuerza, el trabajo y otras medidas útiles del rendimiento muscular. El uso de un ultrasonido proporciona más información sobre el tejido muscular en sí, como la longitud y la velocidad del fascículo, así como el ángulo de penación (definido en tabla 1).

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tabla 1 Definiciones de términos biomecánicos

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Figura 2 Métodos biomecánicos típicos. (A y B) La captura de movimiento representada por los sistemas de cámaras en el fondo (círculo rojo sólido) registra dónde están los marcadores en el espacio (círculo rojo punteado) y proporciona información sobre dónde está la persona en el espacio (cinemática). (C) Las plataformas de fuerza proporcionan información sobre las fuerzas (cinética). (D) Los dinamómetros proporcionan información sobre la fuerza y ​​la potencia muscular.

También se han utilizado otras técnicas como la electromiografía y la mecanomiografía. La electromiografía mide la actividad eléctrica presente durante una contracción muscular. Se puede utilizar tanto la electromiografía de superficie como la electromiografía de alambre fino. La superficie es la más común, ya que utiliza electrodos para leer la suma de la actividad eléctrica en el vientre muscular. La electromiografía de alambre fino o intramuscular puede registrar la actividad eléctrica de la musculatura profunda y proporcionar registros de la actividad de un solo músculo. La mecanomiografía se ha utilizado para identificar la activación mecánica del tejido muscular.19,20 en lugar de la activación eléctrica. Por lo general, con un micrófono, se puede identificar el movimiento o el desplazamiento de un músculo.

Todos los métodos mencionados se combinan típicamente con técnicas de la fisiología, como la medición del consumo de oxígeno, la impedancia bioeléctrica y la electrocardiografía. Además de las herramientas tradicionales, las mejoras tecnológicas han permitido el uso de herramientas de activación cerebral durante el movimiento, como la espectroscopia funcional de infrarrojo cercano y la electroencefalografía.

A partir del siglo pasado, la biomecánica comenzó a prestar atención a la mecánica respiratoria en la EPOC, como la capacidad de generación de fuerza de la musculatura.21 Esto se expandió a investigaciones de resultados funcionales en la EPOC, como fatiga muscular,1,22 equilibrio,15 descendente,23,24 y marcha14,25 Incluso ha habido una investigación sobre la biomecánica de la deglución en PwCOPD.26 El propósito de este manuscrito es revisar el conocimiento actual sobre la biomecánica en la EPOC y cómo se puede aplicar clínicamente. Se revisa el estado de la literatura con respecto a los resultados funcionales, la mecánica muscular y la mecánica respiratoria, así como las direcciones futuras y las perspectivas clínicas.

Resultados funcionales

Equilibrio

Las tasas de caída varían entre los adultos mayores según la edad. Sin embargo, se estima que el 30% de las personas mayores de 65 años se cae cada año, y este porcentaje aumenta hasta el 50% entre las personas mayores de 80 años.27,28 Los primeros estudios identificaron un aumento en el riesgo de caídas y deficiencias en el control del equilibrio en la EPOC.23,24,29–32 Las personas con EPOC tienen un 55 % más de probabilidades de tener un registro de caída en comparación con las personas sin EPOC.33 con una prevalencia estimada de caídas por EPOC en un 30%.34 La evidencia preliminar sugiere que las personas con un fenotipo de EPOC bronquítica tienen más probabilidades de tener un equilibrio más deficiente (tiempo de apoyo de una sola extremidad más breve) y un mayor riesgo de caídas (más tiempo para completar la prueba Timed Up and Go) en comparación con las personas con un fenotipo enfisematoso.35 Es probable que las personas con EPOC que experimentan una exacerbación aguda de la enfermedad caigan más y demuestren alteraciones del equilibrio más allá de las que tienen una enfermedad estable.36 Revisiones previas de la literatura informaron que las deficiencias del equilibrio en la EPOC estaban relacionadas con el aumento de la edad, la debilidad muscular, la inactividad física y el uso de oxígeno suplementario y con una disminución en la capacidad de ejercicio.37,38 El número de medicamentos, la restricción de actividades recreativas, la ansiedad y la depresión también se relacionan con peores puntajes de equilibrio en la EPOCpc.39,40 Una deficiencia en la producción de fuerza rápida (es decir, salto vertical) se ha relacionado con el número de caídas autoinformadas en PwCOPD.41

Los déficits de control postural en PwCOPD en comparación con aquellos sin EPOC incluyen cambios en el balanceo mientras se está de pie en silencio.dieciséis,42–46 (Tabla 2). El balanceo generalmente se cuantifica a través de una posturografía estática (es decir, de pie sobre una plataforma de fuerza mientras se mide el balanceo de una persona). Cada persona tiene un balanceo natural cuando está de pie, y el balanceo aumenta naturalmente cuando una persona cierra los ojos cuando está de pie. PwCOPD tienen un mayor desplazamiento de balanceo totaldieciséis —mayor cantidad de balanceo— en comparación con los controles. Específicamente, se ha encontrado que la oscilación en la dirección mediolateral discrimina entre PwCOPD y aquellos sin EPOC.45,47 Ambas velocidades de balanceo más lentas11,43 y una velocidad de balanceo más rápida en la dirección anteroposterior44 han sido reportados en PwCOPD. Actualmente, en PwCOPD, no está claro cómo la velocidad o la velocidad de balanceo se relaciona con la postura …

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