En las diferentes estructuras del aparato locomotor y, especialmente, en la arquitectura ósea existe una respuesta biológica a las fuerzas físicas, expresado con la clásica ley de Wolff (1892) y en trabajos más recientes1-7. Los estudios biomecánicos acerca de la morfología de la articulación coxofemoral son abundantes y por todos conocidos, pero, en concreto, la valoración in vitro y bidimensional, de las fuerzas de la carga y su descomposición vectorial fundamentalmente en compresión y cizallamiento, han sido estudiados por un grupo de autores menos numeroso2,8-14. Nuestro objetivo fue el cálculo de las magnitudes vectoriales in vitro en el niño a las edades de 7 y 12 meses, a partir de la media de sus pesos respectivos15,16, empleando funciones trigonométricas y sus ecuaciones17, de las fuerzas y cargas de compresión y cizallamiento, que inciden en el acetábulo, según su inclinación, definida por el índice acetabular (IA)18-24 y en la fisis proximal femoral, definida por el ángulo fiso-diafisario o de Alsberg (AF)10,12,14,22,23,25-29 tanto durante la bipedestación estática como durante el apoyo monopodal8,10,13.
MATERIAL Y MÉTODO
Se eligieron las edades de 7 y 12 meses, considerando la primera como de no carga aún y la última como de edad de inicio de la bipedestación en la mayoría de niños. Se estableció el peso medio a los 7 y 12 meses de edad según tablas estadísticas y datos aceptados y al uso por los servicios de Pediatría, siendo aproximadamente sus valores medios, en ambos sexos y a estas edades, de 8 y 10 kg, respectivamente15,16. El cálculo de las magnitudes vectoriales in vitro se efectuó a partir de los estudios de Pauwels13 y Bombelli8 tanto desde el punto de vista gráfico como trigonométrico17, considerando la descomposición de la Fuerza Resultante (R) sobre cada cadera en el paralelogramo con un Vector de Fuerzas de Compresión (P) y otro de Cizallamiento (S) (fig. 1)9,11,13,29,30. Se obtuvieron representaciones gráficas de R sobre el acetábulo, IA y la fisis proximal del fémur (figs. 2A y 2B y 3A y 3B). En ambos casos, se consideraron 2 situaciones: bipedestación estática y apoyo monopodal de la extremidad. En ambas se acepta que: a) la incidencia de R adopta una inclinación de 0° y 16° desde la vertical y en dirección medio-lateral desde el eje del cuerpo en el plano coronal, y así b) que R en bipedestación estática, supone un tercio del peso corporal y en apoyo monopodal es unas 4 veces dicho peso8,10,13,14.
Figura 1.Descomposición vectorial de la fuerza Resultante (R) en los vectores componentes S (cizallamiento) y P (compresión).
Figura 2. A y B: Descomposición vectorial considerando el ángulo Indice acetabular (IA) (α) en bipedestación (0°) y apoyo monopodal (16°).
Figura 3. A y B: Descomposición vectorial considerando el AF (α) en bipedestación (0°) y apoyo monopodal (16°).
Las ecuaciones en que nos basamos fueron: KS = S Px μ9,13,17 (ecuación 1), en la que KS es la Fuerza total de las fuerzas de compresión, S y P son respectivamente cizallamiento y compresión y μes el coeficiente de fricción, el cual consideramos en los cálculos con valores de 0; 0,3 (aceptado como el de nivel fisiológico para las estructuras biológicas humanas) y 0,6. Si: P = R · cos (α 0°) ó cos (α 16°) (2) y S = R · sen (α 0°) ó cos (α 16°) (3), para calcular las fuerzas de compresión en bipedestación estática o apoyo monopodal; y si P = R · cos (α 0°) ó (α 16°) (4) y S = R · sen (α 0°) ó (α 16°) (5) en Bipedestación o Apoyo Monopodal, substituyendo estas ecuaciones en la (1) se obtuvo la ecuación que, según Pauwels13, permite calcular las fuerzas de cizallamiento: KS = R · sen (α 0°) R · cos (α 0°) · μ(6) ó KS = R · sen (α 16°) R · cos (α 16°) · μ (7), según consideremos el cálculo en Bipedestación o apoyo monopodal, respectivamente. Así, utilizaremos las ecuaciones (2) y (7), para calcular las magnitudes de los vectores de las fuerzas de compresión y cizallamiento respectivamente.
RESULTADOS
Los resultados de los cálculos quedan reflejados en las tablas 1 a 12. Resumiendo, en ellas las fuerzas de cizallamiento y compresión a los 7 y 12 meses, en bipedestación y apoyo monopodal para diferentes valores de índice acetabular y de ángulo fisario crecientes o decrecientes cada 5°, y para los 3 posibles coeficientes de fricción antes definidos.
Bipedestación estática a los 7 y 12 meses de edad
En el acetábulo: Las fuerzas de cizallamiento aumentaron significativamente a medida que aumenta el índice acetabular (r = 0,98 y 0,99, para μ= 0 y μ = 0,3 y 0,6 respectivamente), siendo máximo entre 10°-15° (72%); 15°-20° (44%) y 20°-25°, situación considerada fisiológica del índice acetabular (61%). El incremento medio entre 0°-40°, fue del 41%. Solo a los 15° del índice acetabular las fuerzas de cizallamiento resultaron idénticas. Las fuerzas de cizallamiento fueron un 20% mayores a los 12 que a los 7 meses de edad, lo que es igual a la diferencia porcentual entre el peso de ambas edades. Por el contrario, las fuerzas de compresión, disminuyeron significativamente a medida que aumenta el índice acetabular de 0° a 40° (r = 0,93). La disminución porcentual media fue 3,8%. Las fuerzas de compresión fueron 18% mayores a los 12 que a los 7 meses de edad para cualquier ángulo del IA.
En el fémur: Las fuerzas de cizallamiento aumentaron a medida que disminuye el ángulo fisario (r = 0,99 y 0,96, para μ= 0; 0,3 y 0,6). El incremento medio total fue 11,7% (μ = 0); 23,8% (μ = 0,3) y 27,9% (μ = 0,6); siendo del 27% entre 90° y 75° y sólo del 7,3% entre 70° y 0° (μ = 0); del 51,6% entre 90° y 65° y sólo del 13% de 60° a 0° (μ = 0,3) y 43% entre 90° y 55° y 18,8% de 55° a 0° (μ = 0,6). El mayor incremento se halló de 85° a 80° (50%; μ= 0); 70° a 65° (60%; μ= 0,3) y 65° a 60° (84,4%; μ= 0,6), del ángulo fisario. Las fuerzas de compresión siguieron un ritmo inverso a las de cizallamiento: aumentaron a la vez que el ángulo fisario (r = 0,95). El incremento medio fue 11,8% a los 7 y 11,5% a los 12 meses. La franja con mayor aumento se halló entre los 0° y 20°, siendo de 27% tanto a los 7 como a los 12 meses y con un incremento entre 70° y 90° de 2,1% a los 7 y 1,5% a los 12 meses.
Apoyo monopodal a los 7 y 12 meses de edad:
En el acetábulo: Las fuerzas de cizallamiento no aumentaron significativamente, así r = 0,66 para μ= 0 y 0,67 para μ = 0,3 y 0,6, a los 7 y r = 0,24 para (μ = 0,3 , fisiológico) a los 12 meses de edad. El incremento fue de un 5%, siendo negativo entre 0° y 15° del índice acetabular y positivo y ascendente desde 20°-25° (40%) y máximo a los 35°-40° (69%). Las fuerzas de compresión no disminuyeron significativamente con el aumento del índice acetabular (r = 0,34). La disminución media fue del 1%. La evolución del porcentaje de estas fuerzas fue bimodal: aumento medio de +1,2% de 0° a 15° de índice acetabular, y descenso de 2,4% entre 15° y 40°; el punto de inflexión fue el índice acetabular de 15°. Las fuerzas de compresión fueron 20% mayores a los 12 que a los 7 meses de edad, es decir, igual a la relación entre los pesos respectivos de cada edad.
La diferencia en las fuerzas de cizallamiento, entre la bipedestación estática y el apoyo monopodal a los 12 meses y para μ= 0,3, presentó 3 zonas de diferentes características: a) 0° a 10° del índice acetabular con incremento medio del 60%, b) entre 15° y 25° del 96% y c) entre 30° y 40° del 56%. Las fuerzas de compresión fueron, de media, 91% mayores en el apoyo monopodal que en la bipedestación estática, tanto a los 7 como a los 12 meses de edad.
En el fémur: Aumentaron a medida que disminuía el ángulo fisario, siendo significativo con r = 0,91 y 0,92, entre (μ = 0 y μ = 0,6). El incremento medio fue de 7,4% (μ = 0), 11,5% (μ = 0,3) en ambas edades y 4,5% y 20,4% (μ = 0,6) a los 7 y 12 meses respectivamente, siendo máximos los incrementos entre 75°-70°, más del 75%, de 55°-50°, 69%, y de 50°-45° con el 73%, para (μ = 0, 0,3 y 0,6, respectivamente). A los 7 meses se hallaron incremento máximo del cizallamiento, entre 90°-75°: 83% entre 80°-75° (μ = 0); 87% en 90°-85° (μ = 0,3) y 73% entre los 50°-45°. A los 12 meses, se hallaron descensos del cizallamiento, entre 90° y 75°, del 85%, aumentando especialmente entre 55° y 50° (69%) (μ = 0,3) y de 50°-45° (71,5%) (μ = 0,6). Las fuerzas de compresión, presentan incrementos con el aumento del ángulo fisario, así el aumento medio total fue 6,4% a los 7 y 12 meses de edad, pero se observó un hecho diferencial importante, probablemente influido por la situación monopodal, tanto a los 7 como a los 12 meses de edad: con incrementos del ángulo fisario entre 75° y 90°, las fuerzas de compresión no solo desaceleraron sus incrementos porcentuales, sino que disminuyeron mínimamente, el 1%.
DISCUSIÓN
La estructura ósea, tanto del acetábulo como del fémur proximal, en la cadera adulta, ha sido ampliamente estudiada en la bibliografía8,14,31,32, pero calcular in vitro la situación que puedan presentar las cargas de compresión y cizallamiento en el niño, en las condiciones previas (7 meses) o en la edad de inicio de la bipedestación (12 meses), no han sido específicamente abordadas. Los principios físicos, establecen que cuanto mayor es el ángulo de un plano inclinado las fuerzas vectoriales aumentan su componente de cizallamiento y disminuye el de compresión3,4,8,12,17,33,34, de la misma manera según enuncia Pauwels13 y ratifican otros autores2,10-12,18,29, un mayor ángulo cérvico-cefálico-diafisario (CCD) femoral (coxa valga) va acompañado de aumento de las fuerzas de compresión y a medida que disminuye el CCD (coxa vara) decrecen éstas y aumenta el componente de cizallamiento en el fémur proximal. Por otra parte, sabemos de la correlación, altamente significativa (r = 0,96) entre los incrementos del CCD y del ángulo fisario28, por lo cual, nuestros resultados son extrapolables a la situación de fuerzas que in vitro actúan en el fémur proximal. Esto ha sido confirmado en nuestros cálculos, tanto para el cizallamiento como para la compresión: el cizallamiento aumentó mas de un 40% entre los 0°-40° del IA en bipedestación y otro 40% entre 20°-25° y 69% entre 35°-40° del IA en apoyo monopodal, recordemos que se consideran normales valores del IA inferiores a los 25°22; asimismo, en bipedestación, el cizallamiento se incrementó una media del 24%, a medida que disminuía el AF, siendo máximo entre 70°-65° (60%), en cambio en apoyo monopodal el aumento medio fue de 7,4%, especialmente entre 75° y 55° (70%). El AF normal se establece en unos 40° en la edad adulta22,25,28. Las fuerzas de compresión fueron casi el doble (91%) en su magnitud en el apoyo monopodal respecto a la bipedestación, pero disminuyeron (4%) conforme aumentaba el IA, especialmente en bipedestación y sin embargo, en situación monopodal, aumentaron hasta los 15° del IA (1,2%) y descendieron mas del 2% entre los 15°-40°. En cambio las fuerzas de compresión presentaron un hecho diferencial según variaba el AF: aumentaron en bipedestación casi un 12% y en cambio solo un 6% en apoyo monopodal, y que en la franja de aumento del AF de 75° a 90°, mostraron una disminución de algo más del 1%, quizá como reflejo de una actitud finalista en el sentido de no someter a excesiva compresión la zona fisaria, cuando especialmente los niños a estas edades se sabe que presentan elevados AF, en general mayores de 65°-70°9,12. Si comparábamos la relación entre las fuerzas de cizallamiento y compresión hallamos datos interesantes: el cizallamiento supuso 24% de la compresión en bipedestación, pero solo el 13% en situación de apoyo monopodal en los cálculos para el IA; en el AF las fuerzas de cizallamiento fueron mucho mayores que las de compresión (160%) en bipedestación y menores (71%) en apoyo monopodal, siendo de destacar que supusieron solo el 3% a los 75° en bipedestación y 4% a los 60° en apoyo monopodal. Estos últimos resultados abogan por una situación de modulación entre el cizallamiento y la compresión en el acetábulo y en el fémur proximal en el sentido de magnitudes menores de las primeras, especialmente en la situación de apoyo monopodal y en la franja de valores angulares, tanto del IA como del AF, en que se sitúa la normalidad en los niños14,20,22,25,27,28. Esto estaría de acuerdo con los resultados de otros autores que hallan variación y remodelación morfológica del fémur proximal tras traumatismos, osteotomías varo desrotadoras y parálisis espásticas26,29,30,35-37, y descenso, hacia esta normalidad, según las edades en los niños, disminuyendo progresivamente, tanto el IA como y sobremanera el AF18,21,23.
Somos conscientes de que cualquier análisis in vitro de magnitudes biomecánicas, obtiene conocimientos parciales de la realidad biológica, en este trabajo no estudiamos la influencia o caracteres de la fuerza de los músculos abductores de la cadera, como sí hacen otros autores8,11,34 ni efectuamos cálculos sofisticados mediante metodología con elementos finitos1,2,4, pero también es cierto que en algún caso es reconocido, que la valoración global del componente de los abductores, estudiada incluso con métodos informáticos11,38, no altera sustancialmente los resultados y consideraciones de Pauwels13. Los hallazgos parecen sugerir que la fisis modula el crecimiento óseo según la dirección y magnitud de las tensiones que inciden sobre ella5,6,10,29,39,40.
