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ANÁLISIS COMPUTADO DE CONTROL MUSCULAR EN LA MECÁNICA DE PITCHEO

| Investigación, Mecánica de Pitcheo
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Marzo 15, 2017

Continuando con nuestra validación de análisis progresivo de la mecánica de lanzamiento de la semana pasada (Parte uno), habíamos pasado por las primeras etapas de la simulación para tener un modelo escala preciso que registre de cerca el movimiento cinemático y la cinética asociada a las placas de fuerza. Ahora estamos listos para ejecutar un algoritmo de Control Muscular Computado en OpenSIM para calcular las activaciones musculares específicas y las fuerzas que mejor reproducen la mecánica del brazo para determinar cómo afectan a la torsión/torque general impuesto en el codo.

OpenSIM
Proceso de CMC ejecutándose.. enfocando el análisis en el tiempo desde que el brazo se prepara hasta que suelta la bola, ya que aquí es cuando ocurre el pico del momento del valgo

(Este artículo fue escrito por Matthew Wagshol, Biomechanist en el e departamento de R&D Department de Driveline Baseball.)

CONTRIBUCIONES MUSCULARES INDIVIDUALES

Un grupo de músculos estándar es primero utilizado para determinar una base de comportamiento muscular. Catorce músculos y subcompartimientos que cruzan el lado medial del codo que pueden contribuir al torque/torsión del varo para contrarrestar el momento valgo total del codo fueron medidos. Estos músculos fueron el Músculo Flexor de los Dedos (cuatro compartimentos), Pronador Redondo, Flexor Radial del Carpo, Flexor Cubital del Carpo, Bíceps (dos compartimentos), Tríceps (tres compartimentos), Ancóneo y Braquial. 

Los músculos están en escala junto con el modelo y hemos confirmado que representan los atributos de un hombre percentil 50 (las medidas promedio). Estos parámetros incluyen máxima fuerza isométrica, longitud suelta y rigidez (1).

El proceso de CMC ejecuta una optimización ponderada que se enfoca en los músculos de la parte superior del brazo. Restricciones de control también son agregadas para alinear mejor el disparo muscular con la actividad EMG registrada durante el lanzamiento (2). El algoritmo arroja fuerzas musculares individuales durante el movimiento las cuales después son multiplicadas por sus respectivos momentos de fuerza del brazo para calcular los momentos del varo de cada compartimento muscular.

varusmomentgraph

Contribuciones musculares individuales para el grupo muscular Estándar, la línea gris es el pico del momento valgo.

Nuestros resultados coinciden con los del Dr. Buffi (3) y muestra que varios músculos producen momentos varos significativos durante el movimiento de lanzamiento. El FDS (según sus siglas en inglés – Músculo Flexor de los Dedos) tiene el mayor momento el cual tiene su pico ligeramente después de la carga máxima del valgo, junto con el Flexor Radial del Carpo, el Flexor Cubital del Carpo y el Pronador Redondo. También vimos un pico en el momento del Tríceps junto con la máxima carga del valgo, aunque en nuestro modelo el momento máximo era menor al del artículo original. También vimos un efecto menor del Braquial y el Ancóneo, lo cual creemos que se alinea mejor con los pequeños momentos del brazo asociados con esos músculos. Estas diferencias pueden ser atribuidas a alteraciones menores en la definición de modelos, pero las tendencias generales y contribuciones musculares pico confirmaron que nuestro marco de enfoque Dinámico Progresivo es consistente con las investigaciones revisadas.

CONJUNTO MUSCULAR ADAPTADO

Mientras que los resultados previos de las contribuciones musculares son una buena medida de base, los lanzadores de élite tienen músculos que son significativamente más fuertes, y más poderosos que los de un hombre promedio. Para explorar esta idea, un conjunto muscular adaptado es definido para atletas (3) que incrementó la fuerza isométrica un 29%, la rigidez un 70% y redujo los tiempos de activación a 0.005s.

musclemomentgraph

Suma total del momento varo de la contribución de los músculos standard y músculos adaptados con carga total valgo del codo

Los músculos adaptados tienen un incremento en la contribución al momento total en el movimiento de lanzamiento, pero tenemos que dar algunos pasos adicionales para comprender completamente cómo los músculos afectan la carga que siente el ligamento colateral cubital. Podemos lograr esto definiendo una fuerza de balance biomecánica en el codo con una ecuación que puede ser utilizada para desglosar las diferentes contribuciones al torque/torsion

ANALISIS DEL TORQUE DEL CODO

Siguiendo la disertación del Dr. Buffi (3), sostenemos que el momento total del valgo medido del movimiento (Mvalgus) es igual a la suma de tres momentos varos. Estos momentos varos son las contribuciones musculares totales individuales (Mmc), el momento de articulación ósea de la compresión articular (Mart), y el torque remanente en el Ligamento Colateral Cubital (Mucl).

eq1

Entonces, reordenando la ecuación, tenemos:

eq2

Ya conocemos el momento total del Valgo por el análisis de dinámica inversa y también sabemos la suma de los momentos de contribución de cada músculo individual de CMC. Ahora tenemos que definir y calcular Mart revisando la fuerza de compresión articular.

FUERZA DE COMPRESION ARTICULAR Y CARGA DEL LIGAMENTO COLATERAL CUBITAL

El momento de articulación ósea, Mart puede ser definido como la fuerza de compresión articular Fjc en el codo multiplicado por el momento del brazo correspondiente dart.

eq3

Utilizando la herramienta de análisis en OpenSIM podemos ver las fuerzas de compresión de la articulación en el codo durante el movimiento. Estas fuerzas son normalizadas para correr a lo largo del eje longitudinal del radio y ser perpendicular al eje DOF (degrees of freedom, grados de libertad) varo-valgo . Luego multiplicamos este vector resultante por dart que está definido por la distancia entre el centro de presión de la compresión ósea y el centro de la articulación del codo.

jointcompressionmoment
Los músculos adaptados producen un momento de compresión mayor


Habiendo calculado Mart, podemos completar nuestra ecuación y determinar la carga resultante en el ligamento colateral cubital.

uclMoment
Momento del ligamento impuesto con carga total del valgo, y grupo de músculos adaptados

Estos resultados muestran que el análisis tradicional de la carga total impuesta sobre el ligamento colateral cubital se ve compensando en gran medida por las contribuciones musculares y las fuerzas de compresión de la articulación. Sin músculos, el ligamento podría absorber toda la carga, la cual es mucho mayor que su capacidad(5). Con un grupo muscular de un hombre promedio, la carga del ligamento es reducida considerablemente a un pico de 35 Nm, lo cual es suficiente torsión para ser responsable de lesión. Sin embargo, con músculos adaptados al alto rendimiento, la carga en el ligamento colateral cubital es reducida a 0, lo cual significa que el momento varo producido por los músculos y la correspondiente fuerza de compresión de la articulación están contrarrestando completamente la carga impuesta del valgo.

MIRANDO HACIA DELANTE

Estos resultados son significativos al proporcionar un mayor detalle sobre cómo los músculos individuales en el brazo de un pitcher afectan la distribución de la torsión total pico del valgo en el movimiento. La simulación muestra claramente que los músculos en el brazo proveen una reducción importante en la torsión que siente el ligamento colateral cubital, y que fortaleciendo estos músculos a un nivel mayor, el riesgo de lesión puede ser disminuido.

Con el marco de esta simulación validado, estamos muy ansiosos de utilizar análisis de Progresión Dinámica como herramienta para determinar maneras de mejorar la función muscular como un camino a reducir lesiones pero a la vez permitiendo variación en el movimiento único del pitcher. También tenemos intenciones de estudiar los lanzadores elite en Driveline Baseball para entender mejor los músculos adaptados en los atletas y afinar nuestros lineamientos y protocolos de entrenamiento para asegurarnos que nuestros lanzadores están mejorando de manera segura y efectiva.

Fuentes:

  1. Millard, M., T. Uchida, A. Seth, and S. L. Delp. Flexing computational muscle: modeling and simulation of musculotendon dynamics. J. Biomech. Eng.-T. ASME. 135:021005, 2013.
  2. Hamilton, C. D., R. E. Glousman, F. W. Jobe, J. Brault, M. Pink, and J. Perry. Dynamic stability of the elbow: electromyographic analysis of the flexor pronator group and the extensor group in pitchers with valgus instability. J. Shoulder Elb. Surg. 5:347–354, 1996.
  3. James H. Buffi, Katie Werner, Tom Kepple, and Wendy M. Murray, Computing muscle, ligament, and osseous contributions to the elbow varus moment during baseball pitching Ann Biomed Eng. 2015 Feb;43(2):404-15
  4. Hortobagyi, T., and F. I. Katch. Eccentric and concentric torque–velocity relationships during arm flexion and extension—influence of strength level. Eur. J. Appl. Physiol. O. 60:395–401, 1990.
  5. McGraw, M. A., T. E. Kremchek, T. R. Hooks, and C. Papangelou. Biomechanical evaluation of the docking plus ulnar collateral ligament reconstruction technique compared with the docking technique. Am. J. Sports Med. 41:313–320, 2013.

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