Biomecánica de la marcha para el diagnóstico de enfermedades

1.- Introducción

La marcha humana es un proceso complejo que involucra la interacción coordinada de los sistemas musculoesquelético, nervioso y sensorial. Su estudio, conocido como biomecánica de la marcha, permite analizar los movimientos, fuerzas y patrones que intervienen durante el desplazamiento del cuerpo. Comprender estos mecanismos resulta fundamental para identificar alteraciones funcionales que pueden estar asociadas a enfermedades neurológicas, musculares, ortopédicas o degenerativas.

En las últimas décadas, los avances en sensores, instrumentación y procesamiento de datos han permitido desarrollar sistemas de análisis biomecánico más precisos y accesibles, capaces de medir variables como la presión plantar, la distribución del peso, la aceleración y la cadencia de los pasos. Estos sistemas ofrecen herramientas objetivas  que podrían usarme para el diagnóstico de determinadas enfermedades en estadios tempranos de manera fiable y prácticamente sin coste para el sistema sanitario. 

El presente proyecto tiene como objetivo estudiar la biomecánica de la marcha humana mediante la adquisición y análisis de datos cinemáticos y dinámicos, con el fin de establecer indicadores que permitan detectar anomalías en el patrón de desplazamiento. Para ello, se implementará un sistema de medición basado analizar patrones de marcha y movimiento, que registrará los parámetros relevantes durante la marcha y permitirá evaluar diferencias significativas entre una marcha normal y una marcha patológica.

Este tipo de investigaciones podrían servir como apoyo clínico, pudiendo mejorar el diagnóstico, seguimiento y rehabilitación de pacientes, así como optimizar el diseño de prótesis, órtesis y dispositivos de asistencia al movimiento. En conjunto, el análisis biomecánico de la marcha representa un puente entre la ingeniería, la medicina y la rehabilitación, orientado a mejorar la calidad de vida de las personas con alteraciones motoras.

2.- Antecedentes

El estudio de la biomecánica de la marcha humana ha evolucionado significativamente desde mediados del siglo XX, impulsado por el desarrollo de tecnologías de captura de movimiento y análisis de fuerzas. La marcha constituye una actividad motora básica y repetitiva, cuya evaluación permite comprender el funcionamiento integral del sistema musculoesquelético y nervioso (Winter, 1991). En este sentido, el análisis biomecánico se ha consolidado como una herramienta esencial para el diagnóstico, tratamiento y rehabilitación de diversas patologías que afectan la movilidad.

Diversos autores han descrito la importancia de cuantificar los parámetros espaciotemporales y cinemáticos de la marcha. Perry y Burnfield (2010) proponen una descripción detallada de las fases del ciclo de la marcha y sus implicaciones clínicas, mientras que Whittle (2014) destaca el valor diagnóstico de variables como la longitud del paso, la velocidad y el tiempo de apoyo. Estos parámetros permiten distinguir entre una marcha normal y aquella afectada por enfermedades neurológicas o musculares.

En el ámbito clínico, se ha comprobado que el análisis de la marcha es un indicador precoz de deterioro motor en enfermedades neurodegenerativas. Hausdorff et al. (1998) identificaron alteraciones en la variabilidad de la marcha en pacientes con Parkinson, mientras que De Vos et al. (2016) reportaron que los parámetros espaciotemporales pueden utilizarse para el seguimiento de la progresión de la enfermedad. Asimismo, estudios recientes han destacado el potencial del aprendizaje automático para clasificar patrones de marcha y detectar anomalías con alta precisión (Wang et al., 2020).

Estos antecedentes evidencian que el estudio de la biomecánica de la marcha no solo contribuye a la comprensión de la locomoción humana, sino que también constituye una herramienta diagnóstica no invasiva, de gran valor para la medicina preventiva, la fisioterapia y la ingeniería biomédica. El presente proyecto se enmarca en esta línea de investigación, proponiendo el desarrollo de un sistema de medición  de diferentes parámetros para analizar los patrones de la marcha y su posible relación con alteraciones patológicas.

3.- Hipótesis de trabajo y objetivos de la investigación 

El análisis biomecánico de la marcha humana mediante herramientas digitales, como el software Kinovea, permite cuantificar con precisión parámetros cinemáticos relevantes (como los ángulos articulares, la velocidad de desplazamiento, el tiempo de apoyo y la longitud de paso), posibilitando la identificación de patrones anormales o compensatorios asociados a diversas enfermedades musculoesqueléticas y neurológicas.
Se plantea que la utilización sistemática de Kinovea en el estudio de la marcha puede ofrecer una alternativa accesible, objetiva y confiable para apoyar el diagnóstico clínico y el seguimiento de pacientes con alteraciones motoras, contribuyendo al desarrollo de estrategias de evaluación biomecánica de bajo costo en comparación con los sistemas de análisis de movimiento más complejos.

Nuestro objetivo principal es analizar la biomecánica de la marcha humana mediante el uso del software Kinovea, con el propósito de identificar y caracterizar los parámetros cinemáticos que permitan detectar alteraciones en el patrón de marcha asociadas a diferentes enfermedades o disfunciones neuromusculares, favoreciendo el diagnóstico precoz y la evaluación funcional de los pacientes. Además de esto, otros objetivos que planteamos en el presente proyecto serían: 

• Registrar y procesar grabaciones de la marcha humana en sujetos sanos y en sujetos con patologías musculoesqueléticas o neurológicas, utilizando el software Kinovea.

• Obtener y cuantificar parámetros cinemáticos de la marcha, tales como ángulos articulares (cadera, rodilla, tobillo), cadencia, longitud y ancho de paso, tiempo de apoyo y fase de oscilación.

• Comparar los resultados entre el grupo control (sujetos sin alteraciones de la marcha) y el grupo experimental (sujetos con alteraciones diagnosticadas), identificando diferencias significativas en los parámetros medidos.

• Determinar los indicadores biomecánicos más sensibles y específicos que permitan detectar desviaciones del patrón normal de la marcha, relacionándolos con posibles enfermedades o trastornos motores.

• Proponer un protocolo estandarizado para dianosticar el riesgo de rotura de caderas. 

4.- Materiales y método

El presente estudio es de tipo cuantitativo, observacional, descriptivo y comparativo, ya que se analizaron parámetros cinemáticos de la marcha humana a partir de registros  de videos para comparar los patrones de movimiento entre sujetos sanos y sujetos con alteraciones motoras diagnosticadas. La población de estudio estuvo conformada por adultos jóvenes y adultos mayores, hombres y mujeres, con edades comprendidas entre los 16 y 65 años.
La muestra se dividió en dos grupos:

• Grupo control: sujetos sin antecedentes de enfermedades musculoesqueléticas o neurológicas que afecten la marcha.

• Grupo experimental: sujetos con diagnóstico clínico de patologías que alteran o no el patrón de marcha (por ejemplo, lesiones ortopédicas, artrosis, secuelas neurológicas, entre otras).
  
  

El tamaño de la muestra se determinó de acuerdo con la disponibilidad de los participantes y los criterios de inclusión y exclusión establecidos. Los criterios de inclusión en el presente estudio fueron: Sujetos capaces de deambular de forma independiente, con o sin ayudas técnicas; consentimiento informado firmado para participar en la investigación y  en el grupo experimental, contar con diagnóstico médico previo que justifique la alteración de la marcha. Los criterios de exclusión fueron: presencia de dolor agudo que impida la marcha durante el registro,  lesiones recientes que limiten el movimiento o dificultades cognitivas que interfieran con la comprensión de las instrucciones.

Los materiales empleados fueron: 

• Teléfono inteligente con capacidad de grabación mínima de 60 fps (fotogramas por segundo).

• Software Kinovea (versión actualizada) para el análisis del movimiento y la medición de parámetros cinemáticos.

• Ordenador personal con procesador y memoria suficientes para procesar los videos.

• Cinta métrica y marcadores reflectantes o adhesivos para la identificación de puntos anatómicos de referencia.

• Espacio de marcha: superficie plana y recta de al menos 3 a 6 metros de longitud.
  
  

El procedimiento seguido para el presente estudio ha sido el siguiente: 

• Preparación del entorno: se delimitó un área recta, libre de obstáculos, con iluminación uniforme y una distancia suficiente para permitir la marcha natural del participante.

• Colocación de marcadores anatómicos: se colocaron pequeños marcadores (pegatinas blancas) en puntos anatómicos de interés para facilitar la medición de ángulos y desplazamientos.

• Registro en vídeo: cada participante realizó varias pasadas de marcha a velocidad auto-seleccionada mientras era grabado en plano sagital (de perfil) y en plano frontal. 

• Importación de videos: los videos se cargaron en el software Kinovea para su análisis.

• Análisis cinemático: mediante las herramientas de medición de Kinovea, se determinaron algunos parámetros de la marcha, tales como: ángulos articulares de cadera, rodilla y tobillo; cadencia y velocidad de desplazamiento, longitud de paso,  tiempo de apoyo, etc. 

• Registro y procesamiento de datos: los datos obtenidos se exportaron a una hoja de cálculo para su procesamiento y análisis comparativo.

5.- Análisis de personas sin patologías previas conocidas

Como ya se ha mencionado con anterioridad, se analiza el patrón de marcha de un grupo de personas sin patologías previas, considerado como referencia de normalidad, y se compara con el de individuos que presentan diferentes patologías que afectan al sistema locomotor y/o neurológico. A través del análisis de parámetros específicos de la marcha, se pretende identificar diferencias significativas entre ambos grupos, así como describir las alteraciones características asociadas a cada condición patológica. A continuación podemos observar en el vídeo y en la imagen una de las características que medimos, el ángulo de flexo-extensión de la rodilla. 

5.1.- Deterioro cognitivo leve

El deterioro cognitivo es una disminución de las funciones mentales elementales como la memoria, el lenguaje, la atención y el razonamiento. Se habla de deterioro cognitivo cuando esta disminución es superior a la esperada por la edad y el envejecimiento. La detección precoz de este problema nos permitiría no solo ponerle cierto freno, sino en determinadas ocasiones, incluso evitarlo. 

Las medidas que hemos obtenido de esta persona son las siguientes: 

-Cadencia (pasos/minuto): 77 pasos/minuto. 

-Longitud de paso: 41 centímetros. 

-Longitud de zancada: 87 centímetros.

-Velocidad (m/s): 0.69 m/s. 

5.2.- Poliartrosis y prótesis de rodilla izquierda

La poliartrosis es una enfermedad degenerativa caracterizada por el desgaste del cartílago en múltiples articulaciones simultáneamente, tales como, manos, rodillas, caderas, etc. Esto provoca rigidez y limitación funcinal. A diferencia de la poliartritis que es inflamatoria, la poliartrosis se asocia a la sobrecarga articular y predisposición genética. 

En este paciente debemos analizar el  gráfico de la cinética lineal de su movimiento para cada pierna, puesto que, en la rodilla izquierda la persona ha sido intervenida y se le ha colocado una prótesis. A continuación puede visualizarse:

Generalmente la artrosis de rodilla conlleva dolor, inflamación y disfunción muscular. Las personas con este tipo de afectación suelen tener una marcha característica adoptando un patrón o postura para protegerse del dolor. En esta paciente se observa un dato curioso, el ángulo "1-o" de la pierna izquierda está mejor conservado (1,2 m/s) que en la pierna derecha (0.95 m/s), esto puede ser debido a que dicha pierna ya ha sido sometida a una intervención y tras haber disminuido el dolor en la misma, la persona tiende a caminar protegiendo la pierna derecha con una velocidad angular mucho menor. 

5.3.- Cardiopatía isquémica

La cardiopatía isquémica es una enfermedad causada por la obstrucción (aterosclerosis) de las arterias coronarias, reduciendo el flujo sanguíneo y oxígeno al corazón. 

Se observa en este tipo de pacientes que el ángulo de flexión de la rodilla no se produce siempre ni con la misma amplitud. Parece existir afectación del piramidal que hace aparecer rigidez en las articulaciones de la cadera, rodilla y tobillo, así como, activación excesiva del recto femoral, convirtiendo su caminar en un patrón denominado stiff knee (rodilla rígida).

5.4.- Esquizofrenia

Se trata de una enfermedad mental que afecta el modo de pensar, sentir y comportarse de las personas. Puede dar lugar a una mezcla de alucinaciones, ideas delirantes y pensamientos y comportamientos desorganizados. Las alucinaciones consisten en ver cosas o escuchar voces que los demás no ven ni escuchan. Las ideas delirantes son creencias firmes sobre cosas que no son ciertas. 

5.5.- Deterioro cognitivo leve tipo alzheimer. 

El deterioro cognitivo leve tipo Alzheimer es una fase intermedia entre el envejecimiento normal y la demencia, caracterizada por fallos de memoria u otras funciones cognitivas (lenguaje, atención) superiores a lo normal para la edad. Aunque presenta olvidos frecuentes, la persona suele mantener su autonomía en actividades diarias.

En esta marcha se observa una alteración del ritmo de la misma, del balanceo y de la postura. Además, observamos cierta dificultad en el giro. Según McArdle y colaboradores, las diferentes características de la marcha se consideran asociadas a diferentes dominios cognitivos. Asi, pues, el ritmo estaría relacionado con la memoria, que se deteriora precozmente en la enfermedad de Alzheimer por la lesión fundamental de los lóbulos temporales (hipocampo), mientras que la variabilidad y la reducción del paso dependen más de funciones ejecutivas, que son las principalmente comprometidas en la demencia por cuerpos de Lewy. Los datos medidos concuerdan a la perfección con los datos de McArdle, conociendo que esta persona tiene alterado el ritmo de la misma y está diagnosticada con demencia tipo Alzheimer. 

5.6.- Diabetes

También conocida como diabetes mellitus, es una enfermedad en la que los niveles de glucosa (o azúcar) en sangre son demasiado altos. La glucosa es la principal fuente de energía del cuerpo. Su cuerpo puede producir glucosa, pero también proviene de los alimentos que consume. La insulina es una hormona producida por el páncreas. La insulina ayuda a trasladar la glucosa del torrente sanguíneo a las células, donde se puede usar como energía. Las personas con diabetes, no producen insulina, no pueden usarla como debería; o ambas cosas a la vez.  

El ángulo "1-o", como ya se ha mencionado,  se corresponde con la cinemática de la rodilla. Se observan dos picos de flexión de la rodilla correspondiente a dos pasos que alcanzan una velocidad media de 4.2 m/s. El ángulo "1-a" oscila mucho menos que la rodilla y tobillo con una velocidad media que ronda los 1.7 m/s. Por último, el ángulo "1-b" se corresponde con la cinemática del tobillo en plano sagital. En este caso, al igual que con la rodilla, se observan dos picos que coinciden con dos pasos con una velocidad media de 2.1 m/s. Para los tres puntos medidos se observan movimientos armónicos y acompasados. 

6.- Resultados

Los resultados que hemos obtenido se pueden observar en la siguiente tabla: 

En personas que carecen de patologías y nuestro compañero con diabetes observamos una cadencia que ronda los 115 pasos por minuto, mientras que, en el resto de pacientes con diversas patologías la cadencia se ve disminuida drásticamente hasta valores que rondan los 75-80 pasos por minuto. El ángulo 1-0 que se corresponde con la velocidad de movimiento de la rodilla es el que más alterado aparece en personas con diversas patologías. Pasamos de 4,72 m/s en personas sanas a valores que rondan los 0.9-1 m/s. Algo similar ocurre con los ángulos 1-a y 1-b.  Ambos parámetros son los que más se ven alterados a priori. 

7.- Conclusiones

Podemos sacar las siguientes conclusiones: 

- Patrón general, personas sin patologías previas. 

• Mayor cadencia (~115 pasos/min), longitud de paso (~70 cm), zancada (~139 cm) y velocidad (~1,29 m/s).

• Velocidad de los ángulos articulares relativamente  grande.
  Este es el patrón de referencia: marcha más rápida, simétrica y eficiente.

- Efecto global de las personas con patologías conocidas. 

• En casi todas las patologías hay:

  • Disminución de la cadencia

  • Reducción de la longitud de paso y zancada

  • Menor velocidad de marcha

• También se observa una reducción de la velocidad de los ángulos articulares, lo que sugiere menor amplitud de movimiento.
  Conclusión global: las patologías producen una marcha más lenta, más corta y más rígida.

-Análisis por grupos de patologías

a) Deterioro cognitivo leve (77 pasos/min, 0,69 m/s)

• Gran reducción de todos los parámetros.
  El componente cognitivo afecta la planificación y el control de la marcha, haciéndola más lenta e inestable.

b) Poliatrosis con prótesis de rodilla (derecha/izquierda)

• Cadencia baja (~74), pasos muy cortos (~41 cm).

• Ligera diferencia entre derecha e izquierda, pero ambas muestran:

  • Marcha limitada mecánicamente
    Predomina la limitación articular y el dolor, con clara reducción del rango de movimiento.

c) Cardiopatía isquémica (78 pasos/min, 0,74 m/s)

• Disminución moderada de velocidad y cadencia.
  Probablemente por fatiga y menor capacidad funcional.

d) Esquizofrenia (80 pasos/min, 0,8 m/s)

• Reducción moderada y  marcha asimétrica y poco eficiente.
  Puede reflejar alteraciones en el control motor y psicomotor.

e) Deterioro cognitivo tipo Alzheimer (88 pasos/min, 0,89 m/s)

• Menor afectación que el deterioro cognitivo leve en esta tabla (aunque clínicamente suele progresar).
  Sugiere cambios en coordinación y control, pero aún con cierta conservación funcional.

f) Diabetes (116 pasos/min, 1,3 m/s)

• Valores muy cercanos a los normales.
    Indica que, en ausencia de complicaciones (como neuropatía), la marcha puede ser prácticamente normal.

4) Sobre la velocidad de los ángulos

• En personas con  patologías disminuyen los valores de los ángulos (1-0, 1-a, 1-b).
    Esto indica menor movilidad articular y menor rango de movimiento, típico de marcha conservadora o rígida.

Conclusión final

• Las variables más sensible a la patología es la velocidad de la marcha,  la longitud de paso y la velocidad ángular de la rodilla. 

• Las patologías musculoesqueléticas (como la artrosis) afectan más a la mecánica (paso corto).

• Las patologías cognitivas y neurológicas afectan más la cadencia, y ángulos articulares. 

• Las patologías cardiovasculares reducen la marcha.

• No todas las patologías impactan igual: algunas (como diabetes sin complicaciones) pueden mantener valores casi normales.

Estos datos podrían ser válidos para el diagnóstico previo de enfermedades, es decir, analizando la marcha si se observan determinados patrones podemos inferir que la persona podrá desarrollar alguna de estas patologías descritas con anterioridad. De todas maneras, este estudio debería ampliarse debido a que únicamente disponemos de los datos de una única persona con patologías, por lo que los resultados a priori, son estadísticamente significativos aunque el tamaño muestral es insuficiente. 

8.- Bibliografía

• De Vos, M., Prince, J., Buchanan, T., FitzGerald, J. J., Antoniades, C. A., & Little, S. (2016). Discriminating progressive supranuclear palsy from Parkinson’s disease using wearable technology and machine learning. Gait & Posture, 49, 283–287.

• Hausdorff, J. M., Cudkowicz, M. E., Firtion, R., Wei, J. Y., & Goldberger, A. L. (1998). Gait variability and basal ganglia disorders: stride-to-stride variations of gait cycle timing in Parkinson’s disease and Huntington’s disease. Movement Disorders, 13(3), 428–437.

• Martínez-Martí, F., & Escamilla-Negrete, C. (2017). Análisis biomecánico de la marcha humana mediante sensores de presión plantar. Revista Mexicana de Ingeniería Biomédica, 38(1), 45–56.

• Perry, J., & Burnfield, J. M. (2010). Gait Analysis: Normal and Pathological Function (2nd ed.). SLACK Incorporated.

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• Whittle, M. W. (2014). Gait Analysis: An Introduction (5th ed.). Butterworth-Heinemann.

• Winter, D. A. (1991). The Biomechanics and Motor Control of Human Gait: Normal, Elderly and Pathological. University of Waterloo Press.

• Zijlstra, W., & Hof, A. L. (2003). Assessment of spatio-temporal gait parameters from trunk accelerations during human walking. Gait & Posture, 18(2), 1–10.
  
  

9.- Agradecimiento

Queremos agradecer a la clínica Garza de Montellano por su implicación y ayuda en nuestro proyecto y a la residencia de mayores del municipio por su participación de manera desinteresada. Así como, a todos los compañeros y profesores que de una manera u otra han ayudado a sacar adelante esta investigación.