Análisis y caracterización neuromecánica del squat.

Análisis y caracterización neuromecánica del squat.

RESUMEN COMUNICACIÓN/PÓSTER

“La sentadilla (Squat) es un ejercicio frecuentemente utilizado en el desarrollo de las cualidades de fuerza en el entrenamiento deportivo y la rehabilitación. Sin embargo, se observa una carencia de criterios científico-técnicos en su uso, que no se tengan en cuenta la “carga” y el número de repeticiones que se realizan, cuando los estudios epidemiológicos demuestran que la selección y realización inadecuada de este tipo de ejercicios, por ejemplo el semisquat, puede provocar lesiones por “sobre-uso” en el aparato locomotor.

Los objetivos de este estudio han sido en primer lugar introducir por primera vez el concepto de la prevención de las patologías músculo-esqueléticas en los objetivos de entrenamiento, con el uso de los procedimientos metodológicos de la Ergonomía y, por otro lado, proponer un método innovador y fiable para cuantificar el nivel de esfuerzo que se realiza para que se pueda monitorizar el proceso de la rehabilitación después de una lesión. Además, los procedimientos de análisis dinámico inverso, permiten estudiar los procesos de control motor cuyas deficiencias pueden ser factores de riesgo de lesiones. En este sentido, se ha desarrollado una metodología innovadora que se basa en el uso de la fotogrametría tridimensional, plataformas de fuerzas y un sistema de electromiografía, que con el uso del paquete informático “BiomSoft 2.0”, desarrollado por el grupo de investigación BioErgon, puede ser de utilidad tanto para el personal rehabilitador como para los profesionales del entrenamiento deportivo.

INTRODUCCIÓN

El ejercicio de squat (sentadilla) es un movimiento multiarticular que involucra las articulaciones tibio-peroneo-astragalina, femoro-tibial, femoro-patelar y coxo-femoral de las extremidades inferiores y se usa muy frecuentemente en los programas de entrenamiento de las cualidades de fuerza en el contexto del entrenamiento deportivo y de la rehabilitación. La forma de ejecutar el squat es muy variable y en términos generales, tenemos que hasta los 40ºde flexión de rodilla es el semi-squat, hasta los 70º-100º el medio-squat y a más de 100º el squat completo (Escamilla et al. 2001).

La sentadilla completa (full-squat) se ha utilizado para el tratamiento de lesiones de los ligamentos (Cerulli et al., 2002; Fleming et al., 2003; Heijne et al., 2004), disfunciones patelofemorales que se deben entre otras a desequilibrios musculares, errores en el entrenamiento o sobreuso y deficiencias en la funcionalidad de la cadera y afectan principalmente a mujeres y jóvenes deportistas  (Steikamp et al., 1993; Witvrouw et al. 2000), sustitución total de la articulación (Kuster, 2002), e inestabilidad del tobillo (Hertel, 2000; Sammarco and Sammarco,  2003). Los patrones cinemáticos y cinéticos así como la intervención muscular han sido objeto de estudio en varios trabajos (Bobbert et al., 1996; Cheron et al., 1997, Dan et al., 1999; Escamilla et al., 1998, 2001; Flanagan et al., 2003; Hase et al., 2004; Isear et al.,1997; McCaw and Melrose,1999; Ninos et al., 1997; Ridderihoff et al., 1999; Stensdotter et al., 2003; Wretenberg et al., 1996; Zeller et al., 2003).

Sin embargo, es muy difícil la comparación de los resultados obtenidos por razones de los objetivos planteados y por la metodología utilizada, que tiene que ver, bien por el modelo mecánico empleado, o bien, por el tratamiento de los datos. Mientras que en los casos que se ha utilizado análisis dinámico inverso la calidad de los resultados obtenidos se ve influenciado por las limitaciones del propio método (Bobbert et al., 1996; Ridderihoff et al., 1999; Escamilla et al., 1998; Flanagan et al. 2003; Isear et al., 1997; Wretenberg et al. 1996; Cheron et al., 1997; Dan et al., 1999; Escamilla et al., 2001; Hase et al., 2004; McCaw y Melrose, 1999; Ninos et al., 1997; Stensdotter et al., 2003; Zeller et al., 2003; Flanagan et al., 2003). Es bien conocido que las cualidades de la fuerza condicionan los resultados en la práctica totalidad de los deportes y por eso se presta especial atención a los procedimientos de control de su nivel y del perfeccionamiento de su desarrollo. 

Estas cualidades de fuerza que caracterizan el nivel de desarrollo de un deportista condicionan las fases de aceleración de un movimiento, el mantenimiento del equilibrio en una determinada postura, la amortiguación de un impacto y  la producción de suficiente cantidad de energía mecánica de un segmento o conjunto de segmentos corporales y/o de un complemento deportivo. Por lo tanto, entre los objetivos de la evaluación de las cualidades de la fuerza se encuentran la determinación de la relevancia que tienen para el rendimiento en una determinada modalidad deportiva, la monitorización del proceso del entrenamiento y del desarrollo del perfil de un deportista y la monitorización de los procesos de rehabilitación para volver a la competición después de una lesión. Sin embargo, y pesar de su relevancia la planificación del entrenamiento de la fuerza se basa exclusivamente en el criterio de la 1RM que representa el valor de la carga máxima que se puede levantar una vez.

Al mismo tiempo, llama mucho la atención, que en la planificación del entrenamiento con pesas prescinde de los conceptos fundamentales del comportamiento neuro-mecánico del tejido muscular, es decir, de la relación de la fuerza muscular con el ángulo de la articulación en condiciones isométricas, de la fuerza muscular con la velocidad de contracción y de la fuerza muscular con el nivel de los potenciales de acción que activan las unidades motoras. Esta carencia, en las consideraciones previas a la planificación del entrenamiento tiene consecuencias graves por su relevancia en relación con el tipo de contracción muscular que tiene lugar en una determinada articulación al ser la contracción (concéntrica o excéntrica) consecuencia de la relación que mantiene el momento de la carga mecánica, que a su vez es variable como consecuencia del ángulo en el que se encuentra la articulación, con el momento de la fuerza muscular que a su vez varía como consecuencia de la distancia de la inserción de los  músculos a los centros articulares.

La falta de esta consideración puede ser causa de lesiones especialmente en los regímenes de contracciones excéntricas, donde la tensión muscular es muy elevada y la capacidad de control neuro-muscular sobre el movimiento de la articulación es nula. Por lo tanto, la planificación de las cualidades de fuerza tendría que plantearse en función de las características morfológicas y las propiedades neuro-mecánicas del aparato locomotor. Por un lado, y teniendo en cuenta el grupo muscular dominante en el movimiento articular (flexores/extensores, abductores/aductores, rotadores internos/externos) y el tipo de contracción (concéntrica/excéntrica), su duración en las distintas fases del movimiento y su intensidad (velocidad angular en la articulación). En resumidas cuentas, es que en una sentadilla con una carga determinada tiene lugar, en la articulación de la rodilla, una flexión seguida por una extensión. Pero la carga, a la que se somete la articulación puede ser muy distinta en función de la amplitud del movimiento, su intensidad, las características morfológicas y funcionales del sujeto, la postura que adopta etc.

Todo esto conduce a anular el principio fundamental de la especificidad del entrenamiento, hecho que puede tener graves consecuencias tanto para el rendimiento de las cualidades de la fuerza de un deportista como para su exposición a patologías y lesiones musculo-esqueléticas de tipo acumulativo. En este punto, se introduce el concepto de la planificación del entrenamiento con criterios ergonómicos. Es decir, que los técnicos sepan resolver con solvencia el compromiso entre la mejora de las prestaciones del sistema biológico sin que se vea expuesto innecesariamente a niveles de riesgo de lesión.

El objetivo principal del desarrollo de este estudio ha sido hacer una nueva propuesta metodológica innovadora que permite cubrir todas las carencias científico-técnicas mencionadas utilizando los procedimientos de la biomecánica y los criterios de la ergonomía para la prevención de las patologías músculo-esqueléticas. Este procedimiento metodológico innovador, cuya funcionalidad ha sido comprobada, se ha desarrollado por el grupo de investigación “BioErgon” de la Universidad de Extremadura en el Laboratorio de Biomecánica del Movimiento Humano y de Ergonomía y puede ser muy útil para el análisis, evaluación y monitorización del entrenamiento de las cualidades de fuerza y de la rehabilitación en los distintos ámbitos profesionales.                   

MATERIAL Y MÉTODOS

En el “diagrama de flujo” (Fig. 1) se representa el procedimiento para la obtención de los datos que nos permite caracterizar neuromecánicamente los ejercicios tipo, a través de las solicitaciones mecánicas desarrolladas en las articulaciones del tren inferior (análisis dinámico inverso) combinando la información obtenida respecto:
1 – A la geometría del movimiento mediante el uso de técnicas de fotogrametría.
2 – Las fuerzas externas ejercidas sobre la superficie de apoyo mediante el uso de plataformas de fuerza.
3 – Datos antropométricos.
4 – La intervención muscular con el uso de electromiografía.

En el caso concreto se puede conocer la intensidad del ejercicio y las consecuencias del mismo sobre el nivel de las cargas mecánicas que se desarrollan en las articulaciones de las extremidades inferiores, así como el nivel de la potencia mecánica que se genera o se absorbe por las mismas, por otro lado, usar la electromiografía como metodología  va a permitir conocer la intervención de los músculos glúteo mayor, recto anterior, bíceps femoral, vasto externo e interno, sóleo y tibial anterior. Esta información integrada en representaciones gráficas adecuadas va a permitir a los técnicos conocer las características neuro-mecánicas del ejercicio y tomar sus decisiones respecto a la planificación del entrenamiento, basadas en criterios y medidas objetivas.

Los ensayos se han realizado utilizando un equipo de fotogrametría–vídeo tridimensional (Kinescan, IBV) con dos cámaras S-VHS, con una frecuencia de muestreo de 50 Hz que permitió registrar la posición espacial de los marcadores anatómicos asociados al cuerpo en función de un modelo mecánico previamente establecido (Fig.2).

El modelo mecánico empleado se define por 15 marcadores anatómicos (derecho e izquierdo: talón, maléolo lateral, tubérculo tibial, epicóndilo femoral, trocánter mayor, ASIS, sacro) (Vaughan (1992). Los puntos digitalizados definieron los segmentos corporales rígidos y permitieron establecer los sistemas de referencia anatómicos locales en cada segmento para definir su orientación espacial.

Cada segmento se definió mediante tres puntos no lineales entre sí y asociados al mismo (Fig. 2). Para la reconstrucción de las coordenadas tridimensionales de los puntos digitalizados a partir de las imágenes grabadas por las dos cámaras se usó el algoritmo DLT (Transformada Lineal Directa) (Abdel-Aziz & Karara, 1971). Se registraron las fuerzas de reacción y los centros de presión mediante dos plataformas de fuerzas extensométricas (Dinascan 600M, IBV) con una frecuencia de 150 Hz. El error estimado, con respecto al registro de las componentes de la fuerza de reacción es inferior al 2%. Las coordenadas tridimensionales obtenidas por la fotogrametría tridimensional, los datos dinámicos (fuerzas de reacción, centro de presión) y los parámetros inerciales de los segmentos corporales obtenidos utilizando el modelo antropométrico de Vaughan (1992) se utilizan como entrada en el paquete informático “BiomSoft 2.0” desarrollado por el Laboratorio de Biomecánica del Movimiento humano y de Ergonomía. El desarrollo del Análisis Dinámico Inverso del “squat” se lleva a cabo mediante la siguiente secuencia de pasos: 

• se realiza el “suavizado” e interpolación de los datos posición tiempo de los marcadores anatómicos que definen el modelo mecánico, así como los datos de las componentes de las fuerzas de reacción y las coordenadas del centro de presiones, utilizando funciones “spline” (Woltring, 1986)

• se definen los sistemas de referencia local asociados a cada segmento corporal a partir de las coordenadas espaciales de los marcadores anatómicos externos y no alineados de cada segmento

• se calculan los centros de las articulaciones de los segmentos corporales a partir de las coordenadas de los marcadores anatómicos externos

• se calcula la posición espacial de los centros de masa de cada segmento y sus derivadas

• se calculan los ángulos de Euler y la velocidad y aceleración angular para cada segmento

• se calcula la variación del momento angular para cada segmento

• se definen los sistemas de referencia locales asociados a los centros de masa de cada segmento

• se calcula la fuerza resultante referida al sistema de referencia global o local de cada segmento

• previo cálculo de los momentos de fuerza residuales se calculan los momentos musculares netos respecto a las articulaciones

• se calcula la potencia mecánica y el trabajo mecánico desarrollado para cada articulación.

Para los registros electromiográficos  se utilizó un sistema de electromiografía (EMG) con electrodos de superficie para determinar la intervención muscular de los músculos estudiados. Debido a sus particularidades, esta técnica se puede utilizar solo en condiciones de laboratorio. El sistema de EMG que se empleó en este estudio es un sistema de electromiografía por telemetría (Myomonitor system, Delsys, Inc.) de 16 canales con electrodos activos (DE-2.3, Delsys, Inc.) (Ganancia 1000 V/V ±1%, factor de rechazo al modo común >80dB, impedancia>100Mohm) sincronizado con el sistema de fotogrametría y las plataformas de fuerzas. Para la ubicación de los electrodos en los músculos estudiados se siguieron protocolos estandarizados (Zipp, 1982b; Cram & Kasman, 1998). La señal se registró con una frecuencia de 1000 Hz y ganancia de 1000.  El filtrado de las señales se lleva a cabo por filtro Butterworth de 4º orden con “paso-banda” de 20-450 Hz. Todos los datos EMG se trataron con el programa informatizado EMGWorks 3.6 (Delsys, Inc). Se calculó el valor de la raíz de la media cuadrática (RMSEMG) como indicador de la cantidad de la actividad muscular (De Luca & Knaflitz, 1990).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los resultados obtenidos se refieren a las curvas que describen la evolución de la velocidad angular de las articulaciones de las extremidades inferiores que expresa el sentido del movimiento en la articulación y su intensidad, es decir, flexión-extensión, abducción – aducción, rotación interna – externa. El siguiente resultado corresponde al grupo muscular dominante en la articulación, es decir si se trata de los flexores o los extensores, (aductores – abductores, rotadores externos – internos) y el periodo que cada uno de los grupos musculares predomina en las diferentes fases del movimiento.

Por último, se obtiene la potencia mecánica que se genera o se absorbe en las  articulaciones en las distintas fases del movimiento, este hecho pone de manifiesto si los músculos realizan trabajo sobre la carga mecánica y por lo tanto se acelera en el sentido de la aplicación de la fuerza que fisiológicamente corresponde a una contracción concéntrica, o por lo contrario si la carga mecánica realiza trabajo sobre los músculos por lo tanto se acelera en el sentido opuesto a la aplicación de la fuerza que fisiológicamente corresponde a un contracción excéntrica. La integración de las curvas de la potencia mecánica permite calcular el trabajo mecánico que sería seria un indicador más objetivo  para usar en la planificación del entrenamiento de la fuerza en lugar de la RM que no contempla para nada los procesos neuro-mecánicos que tienen lugar durante el ejercicio (Fig. 3).

La observación de la grafica permite ver que durante la fase de flexión de la rodilla tenemos una primera subfase que el grupo muscular dominante son los flexores de la rodilla, mientras que en la segunda subfase el grupo muscular dominante son los extensores de la rodilla. Al mismo tiempo se observa que durante la primera subfase la flexión es consecuencia de una ligera contracción concéntrica de los flexores mientras que en la segunda fase tiene lugar una contracción excéntrica mucho más intensa de los extensores.

Debido a que el análisis dinámico inverso solo permite conocer la intervención de los músculos como grupo, la información respecto a la intervención de cada musculo por separado se puede conocer utilizando los registros Electromiográficos (Fig. 4). Los registros EMG permiten conocer la intensidad y el tiempo de la contracción muscular, la coactivación de los músculos etc.

Conclusiones

En conclusión se puede decir que la aplicación de este procedimiento al análisis de los ejercicios tipo para el entrenamiento de las cualidades de la fuerza muscular contribuiría a mejorar la fiabilidad del proceso y proporcionaría criterios científico-técnicos a los profesionales para mejorar la planificación y la monitorización de los procesos en el ámbito del entrenamiento deportivo, la prevención de lesiones, la rehabilitación y con especial acogida en el contexto de la discapacidad. 

Figura 1. Análisis y caracterización neuromecánica del squat.

Contenido disponible en el CD Colección Congresos nº 21

Fig. 1. Diagrama de flujo de la información para analizar biomecánicamente el ejercicio de “sentadilla” (Gianikellis et al. 2010). 

Figura 2. Análisis y caracterización neuromecánica del squat.

Contenido disponible en el CD Colección Congresos nº 21

Fig. 2.Realización de los ensayos, sistema de referencia y marcadores externos.

Figura 3. Análisis y caracterización neuromecánica del squat.

Contenido disponible en el CD Colección Congresos nº 21

Fig. 3 Salidas graficas del análisis biomecánico del squat y simulación del movimiento por el ordenador. También se pueden distinguir la magnitud de las fuerzas de reacción en el interface del pie con la superficie de apoyo. 

Figura 4. Análisis y caracterización neuromecánica del squat.

Contenido disponible en el CD Colección Congresos nº 21

Fig. 4. Registros EMG correspondientes al Squat.

BIBLIOGRAFÍA

Bobbert MF, Gerritsen KGM, Litjens MCA, van Soest AJ. (1996) Why is countermovement jump height greater than squat jump height?. Med Sci Sports Exerc,28:1402–12.

Cram J.R, Kasman G.S.(1998). Introduction to Surface Electromyography. An Aspen Publication.

Cometti, G. (1999). Los métodos de musculación. Editorial Paidotribo.

Dempster, W.T. (1955). Space Requirements of the Seated Operator. Geometrical, Kinematic and Mechanical Aspects of the Body with Special Reference to the Limbs. WADC Technical Report (pp. 55–159). Ohio: Wright Air Development Centre, Air Research and Development Command, United States Air Force, Wright-Patterson Air Force Base.

Elftman, H. (1939b). The function of muscles in locomotion. The American Journal of Physiology, 125, 357–366.

Enoka, R.M. (2008). Neuromechanics of movement. Human kinetics.

Escamilla RF, Fleisig GS, Lowry TM, Barrentine SW, Andrews JR. (2001). A Three-dimensional biomechanical ana´lisis of the squat during varying stance widths. Med Sci Sport Exerc, 33:984–98.

Escamilla RF. (2001) Biomechanics of the dynamic squat exercise. Med Sci Sports Exerc. 33: 127-41

Flanagan S, Salem GJ, Wang MY, Sanker S, Greendale GA. (2003) Squatting exercises in older adults: kinematic and kinetic comparisons. Med Sci Sport Exerc, 35:635–43.

Gianikellis K.; Vara A.; Bote A.; Muñoz J.R. (2003). Análisis Biomecánico para determinar la intervención muscular en los estiramientos balísticos. Motricidad European Journal of Human Movement. Vol. X. pp. 85 – 98.

Gianikellis, K.; Pantrigo, J.J. (2004). Application of the “Biomsoft” package to the evaluation of the mechanical loads of the joints and the prevention of the athletes from musculoskeletal disorders. In proceeding of the 3d European Congress of Sport Traumatology, pp.: 73. Madrid – Spain.

Gianikellis, K.; Pantrigo, J.J.; Bote, A.; Gazapo V. (2002). El desarrollo del paquete BiomSoft y sus aplicaciones en el análisis biomecánico del movimiento humano. Biomecánica,10,38-43.

Gianikellis, K.; Pantrigo, J.J.; Tena, J.A. (2003). Diseño y desarrollo del paquete informático “Biomsoft” que permite realizar análisis biomecánicos y evaluación de la motricidad humana normal y patológica. En las actas de la 1ª  Conferencia Internacional Sobre Deporte Adaptado, pp.: 389-394. Málaga- Spain. ISBN: 84-88718-34-9

Harman E. (1994). Weight training safety: A biomechanical perspective. Strength and conditioning J. 55-60

Latash, & V. Zatsiorsky. Classics in Movement Sciences, Chapter 10 (pp. 289–315). Champaign, IL: Human Kinetics Publ.

Winter, D.A. (2004). Biomechanics and motor control of human movement (4th ed.). Toronto: John Wiley & Sons.

Winter, D.A., & Robertson, D.G.E.  (1978). Joint torque and energy patterns in normal gait. Biological Cybernetics, 29, 137–142.

Winter, D.A., Fuglevand, A.J., & Archer, S.E. (1994). Crosstalk in surface electromyography: Theoretical and practical estimates. Journal of Electromyography and Kinesiology, 4, 15–26.

Zatsiorsky, V.M. (2002). Kinetics of human motion. Human kinetics.

Zatsiorsky, V.M.; Schmidtbleicher, D. y Baltzopoulos, V. (2002). Applied proceedings “strength training”. K.Giannikellis (Ed.). Proceeding of XXth International Symposium on biomechanics in sport.

Zatsiorsky,V.M.; Kraemer, W. (2006). Science and Practice of Strength Training. Human kinetics.