Resumen
El estudio actual tuvo como objetivo evaluar el potencial de diferentes ejercicios que desencadenan una respuesta osteogénica en el cuello femoral en un grupo de mujeres posmenopáusicas. El potencial osteogénico se determinó clasificando las fuerzas máximas de contacto de cadera (HCF) y las consecuentes tensiones máximas y cepas de compresión en el superior y inferior Parte del cuello femoral durante actividades como ejercicios (rápidos) caminar, correr y entrenamiento de resistencia. Los resultados indican que la carrera rápida (5–6 km/h) de carrera y salto indujo cepas significativamente más altas en el cuello femoral que caminar a 4 km/h, lo que se considera un ejercicio de referencia para la preservación ósea. Los ejercicios con un alto riesgo de fractura, como el salto, deben considerarse cuidadosamente, especialmente en una población de ancianos frágiles y, por lo tanto, pueden no ser adecuados como ejercicio de entrenamiento. Desde superior La fragilidad del cuello femoral está relacionado con el riesgo elevado de fractura de cadera, ejercicios como caminar rápido (por encima de 5 km/h) y correr puede ser muy recomendable para estimular esta área en particular. Nuestros resultados sugieren que un programa de entrenamiento que incluye caminar rápido (por encima de 5 km/h) y ejercicios de funcionamiento pueden aumentar o preservar la densidad mineral ósea (DMO) en el cuello femoral.
Introducción
La osteoporosis constituye una gran amenaza para la salud pública, que afecta a 27,6 millones de hombres y mujeres en la UE27 en 2010 (1), manifestado por fracturas óseas con un costo de tratamiento estimado de hasta 37 mil millones de euros. Las fracturas de cadera son las más predominantes entre todas las fracturas relacionadas con los osteoporóticos con las tasas de morbilidad más altas (2) en la población de ancianos. Las fracturas del cuello femoral constituyen aproximadamente el 40% – 50% de todas las fracturas de cadera y ocurren aproximadamente tres veces más a menudo en mujeres, lo que subraya la sensibilidad de esta región específica. Se sabe que las intervenciones de ejercicio, como caminar (enérgicamente), aumentan la densidad ósea y la resistencia en el cuello femoral, sin embargo, el potencial osteogénico de esta región específica durante el ejercicio aún no se ha determinado.
Está bien establecido y descrito por primera vez por Julius Wolff en 1892 (3) Ese hueso adapta su microestructura a su entorno mecánico externo. Basado en esta hipótesis, Frost (4) desarrollaron una descripción matemática de la adaptación ósea, también conocida como teoría del mecanostato. En esta teoría, se afirma que se deforman el hueso como resultado de la carga mecánica expresada en cepas de compresión o tracción que desencadenan una respuesta ósea osteogénica que está regulada por señales electroquímicas dentro de la red de osteocitos y el fluido extracelular cuando se alcanza un cierto umbral ((5). Aunque este valor umbral se propone en alrededor de 1500 με (4), esto se aplica solo a los huesos de mamíferos largos y varía entre sitios óseos específicos, y se ve afectado tanto por el historial de carga específicos del sitio como por la velocidad, el volumen y la frecuencia (6,7). Tanto las cepas de tracción o compresión se consideraron igualmente osteogénicas, ya que ambas activan células madre osteogénicas en la matriz ósea (8). Se han desarrollado varios enfoques teóricos y numéricos en las últimas décadas para modelar este proceso de remodelación ósea impulsado por estímulos mecánicos como estrés, tensión y densidad de energía de tensión (9–11). También se cree que el daño micro en la matriz ósea, el desuso y la sobrecarga del hueso juegan un papel importante en su respuesta adaptativa (4).
Por lo tanto, la investigación adicional debe apuntar a identificar la carga mecánica óptima del hueso durante los ejercicios generales o específicos, dada la carga de contacto diferente y las fuerzas musculares que actúan sobre él. A este respecto, se encontró que los ejercicios específicos afectan la distribución de la densidad mineral ósea (DMO) cargando regiones óseas específicas. Debido a su alto perfil de impacto, se ha encontrado que los ejercicios de soporte de peso, como caminar enérgico (5–6 km/h), correr y saltar, aumentan la DMO del cuello femoral en las mujeres posmenopáusicas (12,13). En cambio, caminar habitual (~ 4 km/h (14)) no está asociado con los cambios de DM en el cuello femoral de los ancianos (15) y, por lo tanto, puede considerarse como un ejercicio de referencia para la preservación ósea (11,15,16). Además, los ejercicios de resistencia parecen mejorar moderadamente la DMO de la cadera cuando están dirigidos a la cadera y a alta intensidad (17,18), como el 75–80% del peso que se puede levantar a la vez (1 repetición máxima). La principal fuerza impulsora detrás de los cambios en la DMO son las diferencias de tensión en el cuello femoral durante la carga que desencadena procesos locales de adaptación ósea. Sin embargo, estas cepas no se pueden medir directamente debido a la invasividad de las técnicas disponibles.
El análisis de elementos finitos (Fe) combinado con condiciones de carga calculadas usando modelos musculoesqueléticos es una técnica no invasiva para calcular la distribución de deformación en regiones óseas específicas en diversas condiciones de carga durante varios ejercicios. En la actualidad, ningún estudio evaluó las cepas máximas en el cuello femoral durante ejercicios físicos específicos para evaluar su potencial de remodelación ósea. Mientras tanto, un criterio de energía de tensión introducido por Huiskes et al (11) ha sido utilizado por Martelli et al (16) Verificar si la caminata normal, los ejercicios de entrenamiento de peso y de resistencia pueden desencadenar un efecto osteogénico en el cuello femoral. Sin embargo, todos los ejercicios de peso incluidos en este estudio solo fueron realizados por dos hembras jóvenes en lugar de un grupo de personas mayores y se usaron datos de literatura para simular los ejercicios de entrenamiento de resistencia basados en datos de torque articular en ángulos específicos.
El objetivo de este estudio fue evaluar el potencial de remodelación ósea en el cuello femoral durante varios ejercicios en una población de estudio de edad avanzada. Las tensiones máximas y las cepas de compresión se compararon y clasificaron a las cepas observadas durante la caminata habitual a 4 km/h, que se considera un ejercicio basal para la preservación ósea (11,15,16).
Métodos
Los datos de 14 mujeres de edad avanzada posmenopáusica (63.9 ± 7 años) reclutadas entre la comunidad local se recopilaron durante varias actividades físicas en tres sesiones separadas aprobadas por el comité de ética local de Uz/ Ku Louven (OG032/ ML10444 (S56405)). La mujer posmenopáusica es el principal grupo objetivo para la mayoría de los programas de capacitación que abordan la osteoporosis. Los participantes con condiciones previas que podrían limitar su condición funcional, como el dolor, las fracturas de las extremidades inferiores o las fracturas se excluyeron del estudio. Todos los participantes dieron un consentimiento informado por escrito. En primer lugar, se pidió a los participantes que caminaran y corrieran en una cinta de correr de cinturón dividido (Forcelink, Culemborg, Países Bajos) desde 3 km/h hasta su velocidad más alta alcanzable con una velocidad de transición autoseleccionada de caminar a correr. Mientras que los 14 sujetos caminaron a 3–4 km/h, solo 7 sujetos alcanzaron una velocidad de caminar de 6 km/h. Correr fue más exigente; 4 sujetos corrieron a 5 km/h, 8 sujetos a 7 km/h y solo 5 alcanzaron la mayor velocidad de carrera de 9 km/h. Las fuerzas de reacción de tierra se registraron a través de placas de fuerza incrustadas en la cinta de correr a 1000 Hz y se filtraron a 6 Hz. Se pueden encontrar más detalles en Giarmatzis et al. 2017 (19).
En segundo lugar, se pidió a los participantes que realizaran un ejercicio de salto que consta de tres saltos unilaterales consecutivos en la placa de fuerza (Serie AMTI OR6, Watertown, MA, EE. UU.) Se separó en una fase de aterrizaje y propulsión. Las fuerzas de reacción de tierra se registraron a 1000 Hz y se filtraron a 100 Hz. El calzado deportivo estándar se proporcionó en ambos experimentos.
Thirdly, 12 out of 14 subjects performed a dynamic hip abduction (HABD)/adduction (HADD) and flexion (HF)/extension (HE) exercise in standing position while keeping their right leg straight, against an external weight equal to 40, 60 and 80% of the 1 repetition maximum (RM) of the maximal lifted weight based on the guidelines from Brown and Weir (20).
Durante todos los ejercicios, las cinemáticas se capturaron utilizando un sistema Vicon Vicon de diez cámaras (sistema de cámara 10-15 mx, Vicon, Oxford Metrics, Oxford, Reino Unido) muestreado a 100 Hz con un conjunto de marcadores idéntico (21) (Fig. 1).
Se colocaron marcadores reflectantes sobre puntos de referencia anatómicos del cuerpo del cuerpo. Se colocaron marcadores de racimo en la pierna superior e inferior para un mejor seguimiento de movimiento para estos segmentos de cuerpo específicos. Durante caminar, correr y saltar los marcadores mediales de la rodilla y el tobillo se eliminaron para evitar cualquier adaptación del movimiento natural en caso de contacto de marcador.
Modelado musculoesquelético
Un modelo musculoesquelético genérico de cuerpo completo desarrollado por Hamner et al (22) Se utilizó 12 segmentos, 29 grados de libertad (DOF) y 92 actuadores de Musculotendon de tipo colina. La rodilla se modeló como una articulación de la bisagra deslizante, y el tobillo como una articulación revoluta, ambas presentando un DOF, mientras que la cadera se modeló como una articulación de bola y enchufe con tres DOF. Cada modelo se escaló para que coincida con las características antropométricas del sujeto basadas en datos marcadores de puntos de referencia anatómicos en la cadera, la rodilla y el tobillo durante una prueba estática. Los ángulos de las articulaciones se calcularon utilizando un algoritmo de suavizado de Kalman (23) y fuerzas musculares por optimización estática, minimizando la suma cuadrada de todas las activaciones musculares. Utilizando un análisis de reacción articular, las fuerzas de contacto de cadera y rodilla (HCFS y KCF) se calcularon y expresaron en el sistema de coordenadas del fémur local (24). Las ubicaciones de unión muscular y las direcciones de fuerza se determinaron utilizando un complemento OpenSim dedicado (25).
Análisis de elementos finitos (FEA)
Se construyó un modelo de elementos finitos del fémur en Abaqus (Abaqus 6.14–1, Dassault Systèmes Corp., Providence, RI, EE. UU.) Idéntico a la geometría utilizada en el modelo musculoesquelético. La geometría del fémur se volvió a combinar para crear una malla de volumen de elementos tetraédricos 353111 C3D4 con una longitud de borde global de 1,5 mm utilizando el conjunto de innovación MIMICS (materialize NV, Louven, Bélgica) y Patrán (MSC Software, Newport Beach, CA, EE. UU.). La longitud del borde se estableció en base a un análisis de sensibilidad de malla del estrés máximo, la tensión y la densidad de energía de la tensión en la región del cuello femoral. Las unidades de Hounsfield (HU) se determinaron en base a un fémur de un hombre saludable de 60 años con un grosor de corte de 1,5 mm y una resolución de 512 por 512 píxeles (PX) con un tamaño de 0,98 mm segmentado utilizando la suite de innovación MIMICS (Materialize NV, Leuven, Belgium). Los Hu de la CT fémur se usaron como plantilla y se dividieron en 20 zonas materiales. Una relación lineal entre la HU y la densidad ósea propuesta por Bitsakos et al. (26) y Vahdati et al. (27) se supuso y las propiedades del material se asignaron a la geometría del modelo musculoesquelético utilizando técnicas de deformación que deformaron la malla de volumen de la geometría del fémur musculoesquelético para que coincida con la geometría de la plantilla de CT antes de asignar las propiedades del material. Una relación material definida por Morgan et al. (28) se usó para relacionar la densidad mineral ósea de cada zona de material con el módulo de sus jóvenes (1400-17500 MPa). La relación Poisson se estableció en 0.32 para densidades óseas por encima de 1.2 g/cc y 0.2 para densidades óseas por debajo de 1,2 g/cc (29).
La ubicación de 26 sitios de unión de músculos del modelo genérico musculoesquelético se proyectó a su punto de nodo más cercano (2.8 ± 1.6 mm) en la malla superficial del fémur Fe. El factor de escala OpenSim predefinido se usó para escalar uniformemente la malla de volumen a la antropometría de cada sujeto con la cabeza femoral como origen. The muscle parts (#) included in the model were: Gluteus Minimus (3), Medius (3) and Maximus (3), Biceps Femoris Short Head (1), Adductor Longus (1), Brevis (1) and Magnus (3), Pectineus (1), Iliacus (1), Psoas (1), Quadriceps Femoris (1), Gemellus (1), Periformis (1), Vastus lateral (1), medialis (1) e intermedio (1) y el gastrocnemio medialis (1) y lateralis (1).
Se aplicaron condiciones de contorno fisiológica en el centro del eje de la cabeza y la rodilla femorales y se acoplaron a los nodos superficiales en la cabeza femoral y los cóndilos laterales y mediales, respectivamente, similares a Speirs et al. (30): Las condiciones de contorno fueron …
