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SISTEMA DE REPARTO DE CARGAS EN EL ARCO PLANTAR (I)

Desde que en 1954 Hicks publicara el artículo: “The mechanics of the foot II. The plantar aponeurosis and the arch” (J. Anat, 88 (1954), pp. 24-31) siempre que nos referimos al funcionamiento biomecánico del pie reparamos en el tándem formado por la fascia plantar y su mecanismo de windlass asociado. Sin embargo, en 2014 este concepto se vio completado por otro escrito capital, obra de Kevin Kirby: “Foot and lower Extremity Biomechanics IV: Precision Intricast Newsleters, 2009-2013” que sostiene que “…el arco longitudinal tiene un sistema único de reparto de cargas compuesto por cuatro capas: la fascia plantar, la musculatura intrínseca plantar, la musculatura extrínseca plantar y los ligamentos plantares”.

Pisada en superficie irregular.Estos cuatro elementos, en conjunción con sus partes óseas relacionadas, trabajan sinérgicamente para incrementar la rigidez del arco longitudinal durante las actividades que impliquen carga. Así, tal y como veremos en este artículo y los siguientes: “Mecanismo de reparto de cargas en el arco plantar (II) y (III)”, el pie intenta comportarse como una estructura locomotriz con un doble objetivo. El de adaptar su morfología a las irregularidades del terreno y el de modificar su rigidez de acuerdo a las distintas fases del ciclo de la marcha o las diferentes solicitaciones a que se ve sometido en un momento dado.

Dentro de los elementos que permiten este doble propósito de adaptabilidad del pie, en conjunción con rigidez variable, se encontraría el “Sistema de Reparto de Cargas en el Arco Plantar” (LALSS por sus siglas en inglés: Longitudinal Arch Load-Sharing System) descrito por primera vez por Kevin Kirby y del que vamos a hablar a continuación.

Biomecánicamente, podríamos entender por sistema “aquel conjunto de mecanismos que tienen capacidad para actuar conjuntamente en el logro de un fin concreto”. En ocasiones cada uno de los mecanismos cumple una función especializada y el conjunto de ellos logra un fin superior y en otros, como el que nos ocupa, cada mecanismo realiza, de diferente manera, la misma función lográndose, de este modo, que a pesar de fallar uno de ellos se asegure la función final del sistema.

Arco Plantar: Mecanismos a compresión y tensión

Entre los mecanismos implicados en este “Sistema de Reparto de Cargas en el Arco Plantar” podemos citar, según su modo de trabajo:

  1. Mecanismos a compresión: estructura ósea del retropié y el antepié.
  2. Mecanismos a tensión: fascia plantar, musculatura intrínseca plantar, musculatura extrínseca plantar y los ligamentos plantares.

Los huesos del pie y sus respectivas articulaciones configuran el marco estructural del arco longitudinal plantar. Así, el retropié (astrágalo y calcáneo) se plantarflexiona, respecto al suelo, cuando el arco longitudinal plantar se aplana y se dorsiflexiona, también respecto al suelo, cuando el arco longitudinal se eleva. En cuanto al antepié (escafoides, cuboides, cuneiformes y metatarsianos) se dorsiflexiona,  respecto al retropié, cuando el arco se aplana y plantarflexiona, también respecto al retropié, cuando se eleva.

Moviemientos en GIF del reparto de cargas del arco plantar.Este marco estructural supera el modelo arquitectónico de arco cerchado “Mecanismos de Truss Arch y Windlass (I), (II) y (III)” explicado en anteriores artículos, ya que aunque los huesos que conforman el arco plantar se encuentran sólidamente unidos entre sí por sus articulaciones y ligamentos pueden, al contrario que en una cercha clásica, desplazarse, aunque sea mínimamente, unos respecto de otros. Esta capacidad permite que el arco pueda variar su luz (distancia de antepié a retropié) y su flecha (distancia del suelo al ápice del arco) siendo una estructura de conformación variable.

Sin embargo, el arco óseo por sí sólo no es suficiente y colapsaría en situaciones de carga sin el concurso de los elementos que trabajan a tensión: fascia plantar, musculatura intrínseca plantar, musculatura extrínseca plantar y ligamentos plantares. Estos elementos aportan rigidez variable al marco óseo del arco. Veamos en el siguiente artículo “Sistema de reparto de cargas en el arco plantar (II)” cómo funcionan conjuntamente.

Pablo Rodrigo Lopez, Sistema de reparto de cargas en el arco plantar.

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MECANISMOS DE TRUSS ARCH Y WINDLASS (III)

En los artículos anteriores: “Mecanismos de Truss Arch y Windlass (I) y (II)”, hemos superado los modelos explicativos de “arco cerchado con ángulos fijos”, la cercha arquitectónica clásica, así como el de ”arco cerchado de ángulos móviles”, que consideraría a éstos como charnelas. Si dejamos a un lado la idea de un modelo basado en un arco lineal (bidimensional y coplanar), podemos comenzar a transitar el camino hacia una estructura tridimensional la cual, inicialmente, podría ser la de un tetraedro.

El tetraedro se considera en geometría como el simplex tridimensional. Es el poliedro más sencillo que existe y, partiendo de él, podemos intentar llegar a un cuerpo geométrico que albergue al pie. Pero antes de hacer este camino recordemos un par de nociones básicas de geometría. Así, definimos como pirámide a un poliedro que posee una base, la cual es un polígono, y varias caras laterales que son, a su vez, triángulos con vértices coincidentes en un punto denominado ápice. Este ápice o cúspide también se conoce como vértice de la pirámide aunque, en sentido estricto, una pirámide tendrá tantos vértices como polígonos la limiten.

Por otro lado, hablamos de una pirámide recta cuando la proyección ortogonal del ápice sobre la base coincide con su centroide y de pirámide oblicua cuando no todas las caras laterales de la pirámide sean triángulos isósceles. A su vez, una pirámide será regular cuando, siendo recta, tenga por base un polígono regular e irregular cuando éste no lo sea.

Si observamos el pie, podemos contenerlo en una pirámide de base triangular irregular, constituida por la fascia plantar, y ápice definido por el complejo funcional que suman las articulaciones tibioperoneoastragalina y subastragalina. En este modelo, el ápice centraría la vertical del vector de fuerza que sería transmitida a la inserción de la fascia por medio de astrágalo y calcáneo y a la parte anterior de la misma, de primera a quinta cabeza metatarsal, por medio de escafoides, cuboides, las tres cuñas y los cinco metatarsianos. Así, si aplicamos una carga en el ápice, los segmentos Vi, V1 y V5 la transmitirían a los puntos  i, 1 y 5 provocando un aumento del área de la fascia y una disminución de la altura de la pirámide. En apoyo plantar total nos interesa este comportamiento, porque favorece la adaptación del pie al terreno y contribuye a disipar energía.

Sin embargo, en el apoyo de talón y en la fase de propulsión, no podemos permitirnos una fascia “relajada” la cual es sinónimo de inestabilidad. Precisamos de una estructura que facilite y estabilice el contacto talón-suelo y que, a su vez, facilite y estabilice la propulsión de las cabezas metatarsales-suelo. Para lograr este cometido la fascia debe, por así decirlo, tensarse y conseguir, mediante esta vía, que los complejos articulares interesados pierdan rango de movimiento y brinden estabilidad al pie. Así, mientras que en el apoyo plantar total la fascia incrementa su área y el antepie se ensancha, aumentando la distancia entre primera y quinta cabeza metatarsal, gracias a que el mecanismo de windlass permite la plantarflexión activa de los dedos, en el apoyo de talón y en la fase de propulsión la fascia busca tensarse y lo hace gracias a que el mecanismo de windlass actúa dorsiflexionando los dedos activamente en la primera y pasivamente en la segunda.

Es por ello que distinguimos tres mecanismos de windlass. El mecanismo de windlass activo en el choque de talón, el mecanismo de windlass pasivo en el apoyo total y el mecanismo de windlass inverso en la fase de propulsión. Todos ellos destinados a regular la tensión de la fascia según las solicitaciones que recibe el pie. En el siguiente artículo: “La fascia plantar y los tres mecanismos de windlass”, veremos cómo se integran.

Pablo Rodrigo Lopez, Artículo 3: los Mecanismos de Truss arch y Windlass.

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MECANISMOS DE TRUSS ARCH Y WINDLASS (II)

En una cercha, tal y como vimos en el artículo: “Mecanismos de Truss Arch y Windlass (I)”, los elementos estructurales constitutivos son rígidos y coplanares, lo que permite, tanto en ingeniería como en arquitectura, salvar grandes vanos o luces así como soportar cubiertas ligeras. Sin embargo, en el pie hay tres diferencias básicas: la fascia o tiranta de la cercha no es rígida, los vértices o nodos no están fijados y la disposición de los elementos estructurales no es coplanar.

Analizando las dos primeras diferencias, sabemos que, histológicamente, la fascia y el hueso son tejidos distintos. Esto determina propiedades mecánicas diferentes en los componentes de este modelo de “arco cerchado”. Funcionamiento del modelo Truss Arch.Así, si bien los huesos pueden considerarse elementos rígidos, no puede decirse lo mismo de la fascia. Esta circunstancia, que en una cercha tipo sería un inconveniente, constituye, en el pie, una ventaja competitiva. Así, una tiranta elástica nos permite trabajar con las fuerzas a compresión y  tracción expresadas en los nodos, impidiendo que los puntos A y B se alejen, siempre y cuando su tensión se pudiese ajustar a aquellas, pero, además, facilitaría variar la altura (flecha) del arco y su longitud (luz).

Para visualizar este modelo, imaginemos que los vértices del triángulo no son fijos y actúan como charnelas. Si aplico una carga en el vértice superior los puntos A y B se alejan, disminuye la flecha del arco y aumento su luz. Si quiero que la distancia entre A y B permanezca constante, al aumentar la carga en el  vértice, debo colocar una tiranta flexible que aguante mayor tensión. Dada la imposibilidad de cambiar la tiranta a cada  valor de carga, la naturaleza se dotó, para resolver esta situación en el pie, de una tiranta flexible (la fascia plantar), un punto de tracción fijo (la inserción de la fascia en el calcáneo), un cabestrante (las articulaciones metatarsofalángicas, principalmente la primera) y un arco óseo con ápice en la articulación mediotarsiana.

Esta estructura permite, por acción de los distintos mecanismos de windlass que existen: activo, inverso y pasivo, una adaptación permanente de la tensión de la fascia, la tiranta flexible del modelo, a las necesidades, también variables, de conformación del arco plantar que aparecen en la marcha.

Posocionesdel pie al correr.

Así, sabemos que necesitamos, por distintas razones que analizaremos en el artículo “Los tres mecanismos de Windlass”, un arco compacto en la fase apoyo de talón, uno más inestable o flexible, para adaptarnos al terreno y amortiguar carga, en la fase de apoyo de mediopie y otro, de nuevo compacto, para favorecer la propulsión en la fase de despegue del pie del suelo.

Cartabon y tetraedro.En cuanto a la tercera diferencia con el modelo de “arco cerchado”, sabemos que los elementos que conforman la estructura citada anteriormente no son coplanares. Así, aunque considerásemos como elementos integrantes de un mismo arco a las dos falanges del primer dedo, su metatarsiano correspondiente, la primera cuña, el escafoides, el astrágalo y el calcáneo, todos ellos no se encuentran, rigurosamente, en un mismo plano. Por ello en el pie parece, cuanto menos, más aproximado hablar de una estructura tridimensional conformada por tetraedros, cuya relación con el mecanismo de windlass relatamos en el siguiente artículo, en lugar de hacerlo de un arco lineal.

Pablo Rodrigo Lopez, Artículo 2: los Mecanismos de Truss arch y Windlass.

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MECANISMOS DE TRUSS ARCH Y WINDLASS (I)

El objeto de estos artículos titulados: “ Mecanismos de truss arch y windlass (I) (II) y (III) ” es repasar el funcionamiento del llamado “mecanismo de windlass” en el pie y ponerle en relación con ciertas estructuras derivadas de la ingeniería civil como son el “truss arch” o “arco cerchado” y el llamado “puente de arco simple”. 

En el año 1954 Hicks describe en el pie el “mecanismo de windlass”, término procedente de la náutica y que puede traducirse por “cabestrante” o “torno”. Por tal entendemos un rodillo o cilindro que, con capacidad de girar alrededor de su eje, es movido por elementos manuales o mecánicos y al que se une un cable que soporta o mueve una carga en su extremo libre. Lo interesante de estos dispositivos no es sólo la traslación de carga, sino la capacidad que tenemos de aumentar o disminuir la tensión en la propia cuerda, enrollando o desenrollando la misma alrededor del cilindro de giro. Un símil interesante son los “motores winch” o “cabestrantes” empleados en los vehículos todoterreno y que pueden ayudarnos a comprender el “mecanismo de windlass” en la fascia plantar.

Tipo de pisada.Así, durante el paso la fascia plantar actuaría como el cable y las articulaciones metatarsofalángicas, principalmente la del primer dígito, como cilindro o tambor. El extremo libre podría identificarse con la inserción de la fascia en el calcáneo. Si en apoyo plantar total elevamos el talón y dorsiflexionamos las metatarsofalángicas, la fascia comenzaría, por así decirlo, a enrollarse alrededor del cilindro y aproximaría el talón al antepie aumentando su tensión. El resultado visible es una elevación del arco plantar y la supinación del pie. Hechos que, junto a la rotación externa de la tibia y la puesta en tensión del tendón de Aquiles convierten la estructura pierna-tobillo-pie en una unidad compacta y estable preparada para un despegue eficiente.

Mecanismos de truss arch.Pero… ¿qué sucede más arriba de la fascia? Volviendo a Hicks, éste nos habla de que los huesos y ligamentos del pie se disponen en forma de un arco triangular. En este triángulo de lados desiguales, tenemos un lado mayor, la fascia plantar y dos menores, los huesos del retropié y del antepie. En ingeniería sería una estructura conocida como “truss arch” o “arco cerchado”. Hay un vértice superior, en el que se aplica el peso del cuerpo y que corresponde a la articulación mediotarsiana y dos inferiores, la inserción de la fascia en el calcáneo y las metatarsofalángicas, que están, ambos, en contacto con el suelo. Cercha de Madera.Estos puntos se conocen en ingeniería como nodos  de la cercha y en ellos se ponen de manifiesto las fuerzas que a tracción o compresión la estructura soporta. Del mismo modo, serían elementos de la misma aquellos que conforman los lados del triángulo, huesos y fascia, que transmiten, a su vez, las fuerzas a los nodos.

Si en una cercha aplicamos carga en el vértice superior, los nodos A y B tienden a separarse a izquierda y derecha, hecho éste que es contrarrestado por la acción de la tiranta o lo que es lo mismo, las fuerzas a compresión transmitidas por los lados menores del triángulo a los nodos son contrarrestadas por la tensión que ejerce la tiranta. Estamos ante una estructura bidimensional y rígida, nodos y elementos son coplanares. Sin embargo, en el pie no podemos simplificar tanto y es preciso elaborar modelos que vayan un poco más allá y que serán motivo del siguiente artículo

Pablo Rodrigo Lopez, Artículo 1: los Mecanismos de Truss arch y Windlass.