Evaluación del control postural y la activación muscular de las extremidades inferiores en individuos con inestabilidad crónica del tobillo

La posturografía dinámica computarizada (CDP) es una técnica objetiva para la evaluación de la estabilidad postural en condiciones estáticas y dinámicas y perturbación. CDP se basa en el modelo de péndulo invertido que traza la interrelación entre el centro de presión (COP) y el centro de gravedad (COG). El COG es la proyección vertical del centro de masa (COM), mientras que COM es el equivalente de punto de la masa corporal total en el sistema de referencia global. COP es la ubicación de punto del vector de fuerza de reacción vertical al suelo. Representa un promedio ponderado de todas las presiones sobre la superficie del área de contacto con el suelo^1. La estabilidad postural es la capacidad de mantener el COM dentro de la base de soporte en un entorno sensorial determinado. Refleja la capacidad de control neuromuscular que coordina el sistema nervioso central con el sistema sensorial aferente (visión, propriocepción y sensación vestibular) y la salida de mando motor^2.

Los métodos de evaluación anteriores para el control postural, como el tiempo para una postura de una sola pierna y la distancia de alcance para las pruebas de equilibrio Y, están orientados a los resultados y no se pueden utilizar para evaluar objetivamente la coordinación entre los sistemas sensoriales y el control del motor^3. Además, algunos estudios utilizaron la placa tambaleante computarizada portátil, que cuantificaba el rendimiento del equilibrio dinámico de los entornos de laboratorio^4,5,6. LA CDP difiere de los métodos de prueba antes mencionados, ya que se puede aplicar al análisis de la proporción de visión, propriocepción y sensación vestibular en el mantenimiento de la estabilidad postural y a la evaluación de la proporción de la estrategia motora, como la estrategia dominante del tobillo o la cadera. Ha sido visto como un estándar de oro para la medición de control postural⁷ debido a su precisión, fiabilidad y validez^8.

La inestabilidad crónica del tobillo (CAI) se caracteriza por dolor persistente en el tobillo, hinchazón y sensación de "dar paso"; es una de las lesiones deportivas más comunes⁹. CAI se origina principalmente a partir de esguinces laterales del tobillo, que destruyen la integridad y estabilidad del complejo de ligamentos laterales del tobillo. La propriocepción, la fuerza muscular fibular, y la trayectoria normal del talo se ven deteriorados^10,11. Las deficiencias del segmento débil del tobillo pueden resultar en un control postural deficiente y activación muscular en individuos con CAI^12. Sin embargo, pocos estudios han investigado la estabilidad postural de las personas con CAI mediante el uso de CDP^3,,13. Las mediciones actuales rara vez podían analizar la deficiencia de control de la postura de CAI desde la perspectiva del análisis sensorial. Por lo tanto, la capacidad de la organización sensorial y la estrategia postural de CAI para mantener la estabilidad postural necesita una mayor exploración.

La actividad muscular es un componente importante del control neuromuscular que afecta a la regulación de la estabilidad postural^14,,15. Sin embargo, cdp sólo monitorea la interrelación entre la COP y el COG a través de placas de fuerza, y su aplicación a la observación del nivel de activación específico de los músculos de las extremidades inferiores en individuos con CAI es difícil. Actualmente, pocos estudios han evaluado la estabilidad postural de las personas con CAI a través de un método que combina CDP con electromiografía (EMG).

Por lo tanto, el protocolo desarrollado tiene como objetivo explorar el control postural y la actividad muscular relacionada mediante la combinación de CDP y sistema de electromiografía superficial (sEMG). Este protocolo proporciona un enfoque novedoso para investigar el control neuromuscular, incluida la organización sensorial, el control postural y la actividad muscular relacionada, para los participantes con CAI.

Antes de las pruebas, los participantes firmaron un consentimiento informado después de recibir información sobre el proceso experimental. Este experimento ha sido aprobado por el comité de ética de la Universidad de Deportes de Shanghai.

1. Configuración del equipo

1. Encienda el sistema CDP, complete la autocalibración y asegúrese de que el instrumento funciona normalmente a una frecuencia de muestreo de 100 Hz.
   NOTA: Cada una de las dos placas de fuerza independientes instaladas mide tres fuerzas (Fx, Fy y Fz) y tres momentos (Mx, My y Mz). El eje X está en la dirección izquierda-derecha y es perpendicular al plano sagital. El eje Y está en la dirección hacia adelante y hacia atrás y es perpendicular al plano coronal. El eje z es perpendicular al plano horizontal. Los orígenes se encuentran en los centros de las placas de fuerza.
2. Haga doble clic en Balance Manager System (Sistema de Balance Manager) Módulo clínicoy, a continuación, haga clic en Nuevo paciente y establezca el ID del paciente. Seleccione Prueba de organización sensorial, Posición unilateral, Límites de estabilidad, Prueba de control del motor y Prueba de adaptación.
   NOTA: Estos datos demográficos también se utilizan para el análisis de diagnóstico normativo coincidente con la edad.
3. Encienda el sistema de electromiografía de superficie (sEMG) y haga doble clic en el icono Herramientas de movimiento de EMG. Especifique la señal de disparo como Trigger In (Manual Stop),establezca el ID del participante y haga coincidir los músculos medidos con el electrodo inalámbrico. Los músculos de la extremidad inferior inestable son vastus medialis (VM), vastus lateralis (VL), biceps femoris (BF), tibialis anterior (TA), peroneal longus (PL), gastrocnemius medialis (GM), y gastrocnemius lateralis (GL).
   NOTA: La frase Trigger In (Manual Stop) indica que CDP activa el sistema sEMG para capturar datos EMG durante las pruebas, pero el indicador "end" requiere hacer clic manualmente para detener la adquisición.
4. Conecte el sistema sEMG con el sistema CDP a través de la línea de sincronización. Ajuste la cámara del sistema sEMG para capturar la luz indicadora de señal del sistema CDP.
   NOTA: El vídeo de la luz indicadora se recopila sincrónicamente con el sistema CDP y sEMG para cortar el ciclo correspondiente del EMG de acuerdo con las pruebas CDP. "Luz encendida" indica que la prueba está en curso, y "light off" indica que la prueba está en pausa/parada.

2. Selección y preparación de los participantes

1. Utilizar los siguientes criterios de inclusión para los participantes de CAI: (1) 35 participantes masculinos con actividad diaria regular, excluyendo atletas profesionales o participantes sedentarios; (2) 20–29 años; (3) antecedentes de al menos un esguince significativo del tobillo, y el esguince inicial debe haber ocurrido al menos 12 meses antes de la inscripción en el estudio; (4) sentimientos de "regalar" la articulación lesionada del tobillo y/o esguince recurrente y/o "sensación de inestabilidad;" y (5) una puntuación de cuestionario de la herramienta Cumberland Ankle Instability Tool de menos de 24 puntos¹⁶.
   1. Excluir a los participantes con antecedentes de esguinces bilaterales, fractura de miembros inferiores, operación, enfermedades del sistema nervioso y vestibular, o alergia a la cinta. Además, reclutar a 35 participantes masculinos sin CAI, cuyos datos demográficos coincidieron con el grupo CAI, como el grupo de control.
2. Para la preparación, fije la pieza del electrodo en el vientre de los músculos medidos. Indique a los participantes que lleven un arnés de seguridad y que se pongan descalzos sobre las placas de fuerza para hacer frente al entorno visual.
   1. Ajuste la alineación de los pies en las placas de fuerza. Alinee los medialis malleolus con la línea horizontal y el borde lateral del pie con la línea de altura generada por ordenador correspondiente (líneas S, M y T). Desactive la pantalla incrustada en el entorno visual (Figura 1).
      NOTA: Estas directrices se basan en las siguientes alturas. "S" significa "pequeño" e incluye alturas que van de 76 cm a 140 cm. "M" significa "medio" e incluye alturas que van desde 141 cm a 165 cm. "T" significa "alto" e incluye alturas que van desde 166 cm a 203 cm. La pantalla puede producir efectos de aprendizaje, ya que puede proporcionar retroalimentación visual en tiempo real. Por lo tanto, la pantalla debe permanecer cerrada durante la prueba, excepto durante el límite de estabilidad (LOS) prueba¹⁷.

Figura 1: Preparación del participante para la medición. Los participantes se colocan descalzos para mirar hacia el entorno visual, usan el arnés de seguridad, alinean correctamente sus pies con las placas de fuerza y fijan los electrodos EMG inalámbricos en sus piernas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. Procedimientos de medición

1. Medición de CDP
   1. Prueba de organización sensorial
      1. Indique a los participantes que se pongan de pie y que mantengan su COG lo más estable posible para hacer frente a la interferencia de la visión, la sensación somatosensorial y vestibular (por separado o combinada) (Tabla 1). Complete las mediciones de las condiciones 1–6. Cada prueba dura 20 s. Repita el procedimiento tres veces para cada condición.
   2. Postura unilateral
      1. Indique a los participantes que coloquen sus manos sobre la columna iliaca superior anterior con los ojos abiertos/cerrados. Considere el lado inestable del tobillo como la pierna de apoyo. Extienda completamente la articulación de la rodilla y doble la rodilla de su pierna que no sea de apoyo en aproximadamente 30o. Permita que los participantes permanezcan estables durante 10 s. Repita el procedimiento tres veces para cada condición visual.
   3. Límite de estabilidad
      1. Instruir a los participantes a mantener su COG en el área central. Al oír el anillo, incline su cuerpo y cambie su COG rápidamente en el marco objetivo en la pantalla. Indique a los participantes que permanezcan estables durante 10 s. Complete el cambio de ocho direccionales de su COG (adelante, adelante-derecha, derecha, derecha-hacia atrás, atrás-izquierda, izquierda, izquierda y izquierda-adelante).
         NOTA: En el proceso de desplazamiento del COG, el cuerpo se mantiene recto, el talón o los dedos de los pies no están lejos de las placas de fuerza, y la articulación de la cadera no está doblada.
   4. Prueba de control del motor
      1. Instruir a los participantes a responder eficazmente para restaurar la estabilidad del cuerpo y hacer frente al deslizamiento inesperado de las placas de fuerza. Repita el procedimiento tres veces para cada condición de deslizamiento.
         NOTA: Las placas de fuerza se deslizan con amplitud pequeña/media/grande en la dirección anterior/posterior. De acuerdo con la altura del participante, la amplitud de deslizamiento de las placas de fuerza se ajusta automáticamente. Se deben seguir los procedimientos estándar para alinear la posición del pie en las placas de fuerza. El retardo aleatorio existe entre los ensayos.
   5. Prueba de adaptación
      1. Instruir a los participantes a responder eficazmente para restaurar la estabilidad del cuerpo y para hacer frente a cinco rotaciones inesperadas consecutivas a una velocidad de 20o /s. Dirija los dedos hacia arriba o hacia abajo.

Tabla 1: Diferentes interferencias y la respuesta prevista correspondiente en la prueba de organización sensorial. El término "referenciado" significa que el movimiento de las placas de fuerza y el envolvente visual sigue el balance del COG del participante.

2. proceso de medición y datos sEMG
   1. Después de activar por el sistema CDP durante SOT, EE.UU., LOS, MCT y ADT, iniciar la adquisición automática de datos brutos de actividad muscular de las extremidades inferiores. Detenga manualmente la adquisición durante el sistema sEMG cuando la luz está apagada. El tamaño de la muestra es de 1000 Hz.
   2. Introduzca la ventana de procesamiento del software sEMG. Importe el archivo C3d de los datos sin procesar EMG y el archivo mp4 del vídeo ligero. Corte el ciclo de prueba cuando la luz esté encendida.
   3. En las operaciones de "tubería de procesamiento", incluya las siguientes opciones en la tubería de ejecución: filtro Butterworth con paso bajo (450 Hz, 2. Orden) y paso alto (20 Hz, 2. Orden); filtro de muesca a 50 Hz; y la ventana de suavizado cuadrado medio de raíz de 100 ms.
      NOTA: Elija el filtro Butterworth con paso bajo (450 Hz, 2. Orden) y paso alto (20 Hz, 2. Orden) para filtrar componentes no deseados de baja y alta frecuencia. Ajuste el filtro de muesca a 50 Hz para eliminar la interferencia de 50 Hz de la alimentación principal. Utilice la ventana de suavizado cuadrado medio de la raíz de 100 ms para suavizar la señal ruidosa.
   4. En las opciones Generar eventos, incluya los siguientes eventos en la canalización de ejecución. "músculo encendido" se define como "todos los canales van por encima de 5x desviaciones estándar de ruido basal para por lo menos 50 ms". "músculo apagado" se define como "todos los canales caen por debajo de 5x desviaciones estándar sobre la línea de base durante al menos 50 ms ".
   5. En las opciones Generar parámetros, incluya los siguientes parámetros en la canalización de ejecución: electromiografía integral (iEMG); cuadrado medio de la raíz (RMS); frecuencia de potencia media (MPF); frecuencia media (MDF); y la relación de co-activación.
      NOTA: Las siguientes son las fórmulas de cálculo a las que se hace referencia para los parámetros anteriores (Ecuaciones 1–4):
      
      
      
      
   6. Normalice los valores RMS de los ensayos SOT, US, LOS, MCT y ADT con los valores RMS de contracción isométrica voluntaria máxima (MVIC) para cada músculo (Ecuación 5).
      
      NOTA: MVIC indica la contracción de fuerza máxima de cada músculo para los participantes en la postura estándar para 5 s (archivo complementario 1)¹⁸.

Resultados representativos de CDP
Prueba de organización sensorial
El sistema evalúa la capacidad del participante para mantener el COG en el área de destino predeterminada, cuando el entorno cambia como entrada de señal periférica. La puntuación de equilibrio (ES) es la puntuación en las condiciones 1–6 que refleja la capacidad de coordinar el sistema sensorial para mantener la estabilidad postural (Ecuación 6). La puntuación compuesta (COMP) es la puntuación media ponderada de todas las condiciones. Se hace mucho hincapié en las condiciones difíciles de 4, 5 y 6. La puntuación compuesta se calcula promediando de forma independiente las puntuaciones de equilibrio para las condiciones SOT1 y SOT2, añadiendo estas dos puntuaciones a las puntuaciones de equilibrio de cada tres ensayos de la condición SOT 3 a SOT 6, y dividiendo la suma por el total de ensayos realizados19,,20. En las figuras, las barras verdes indican que el participante puede coordinar mejor sus tres sistemas sensoriales y responder más eficazmente que su contrapunto normativo coincidente con la edad en el conjunto de datos. Las barras rojas indican que la capacidad de organización sensorial del participante es peor que la de su contrapunto normativo coincidente con la edad en el conjunto de datos (Figura 2A).

NOTA: El desplazamiento teórico máximo de la dirección anterior-posterior del COG para un adulto sano es de 12,5o. Indica el ángulo de balanceo del COG. El rango de puntuación de equilibrio es 0–100. Una puntuación de 0 indica la pérdida de saldo. Las puntuaciones cercanas a 100 indican que el participante tiene una buena función de equilibrio.

Puntuación de análisis sensorial:El sistema coordina la proporción de participación de la visión, la propriocepción y la sensación vestibular en seis condiciones y deduce el grado de dependencia de la visión (VIS), la propriocepción (SOM)y el vestíbulo (VEST) en el proceso de mantenimiento de la estabilidad postural (Ecuaciones 8-10). La apariencia de una barra roja indica que el participante no puede utilizar la sensación sensorial VIS/SOM/VEST para mantener el equilibrio. La preferencia visual (PREF) indica la capacidad de ignorar información visual incorrecta en un entorno de interferencia visual en conflicto (Ecuación 11). La apariencia de una barra roja indica que el participante se basa en información visual para mantener el equilibrio incluso con información visual incorrecta (Figura 2B).

Puntuación de estrategia: El sistema exporta la puntuación de la estrategia (STR) de acuerdo con la interrelación del COG y la COP durante el proceso de mantenimiento de la estabilidad. Un STR cercano a 100 indica el uso de una alta proporción de la estrategia del tobillo. Una puntuación STR cercana a 0 indica el uso de una alta proporción de la estrategia de cadera. Las marcas de las condiciones 1–6 cerca del lado derecho del cuadrante indican el dominio de la estrategia del tobillo; los que están cerca del lado izquierdo indican el dominio de la estrategia de cadera(Figura 2C).

Alineación COG: Cambios en la ubicación del COG en forma de coordenadas en cada condición (Figura 2D).

Figura 2: Resultado representativo para los participantes con CAI durante el SOT. (A) Representación gráfica del equilibrio y las puntuaciones compuestas. (B) Representación gráfica de los resultados del análisis sensorial. (C) Representación gráfica de los resultados del análisis estratégico. (D) Representación gráfica de los resultados de la alineación COG. En los resultados gráficos de SOT, US, LOS, MCT y ADT, las barras verdes sólidas representan los resultados en el rango normal. Las barras rojas sólidas representan los resultados fuera del rango normal. Las barras rayadas representan la prueba repetida. Las áreas grises representan el rango de datos anormal. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Postura unilateral
Se exporta la velocidad de balanceo del COG (o/s) durante la postura unilateral. La apariencia de una barra roja indica que la capacidad de mantener la estabilidad de una sola postura es peor de lo normal. Diferencia izquierda/derecha (%) indica la comparación del balanceo total entre las patas izquierda y derecha (Figura 3).

Figura 3: Velocidad de balanceo del COG para los participantes con CAI durante ee. UU. con los ojos abiertos/cerrados (o/s).
Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

LOS
LOS es la mejor medición de movimiento voluntario en el sistema CDP. La prueba LOS evalúa el tiempo de reacción, la velocidad de movimiento, la capacidad percibida para LOS y la capacidad de control del movimiento. Se exportan las siguientes variables:

Tiempo de reacción (RT) (s): El tiempo entre el envío de la señal de movimiento y el comienzo del movimiento del cuerpo. La aparición de una barra roja indica retraso en el tiempo de reacción (Figura 4A).

Velocidad de movimiento (MVL) (o/s): La velocidad media entre el 5% y el 95% desde el punto inicial hasta el objetivo. La apariencia de una barra roja indica que la velocidad media de gravedad es más lenta de lo normal (Figura 4B).

Excursiones de punto final (EPE) (%): La distancia de movimiento del COG desde el punto inicial hasta el punto final. La apariencia de una barra roja indica que la distancia de movimiento del COG no alcanza el rango normal (Figura 4C).

Excursiones máximas (MXE) (%): La distancia máxima del movimiento COG. La aparición de una barra roja indica que la excursión máxima del COG no alcanza el rango normal (Figura 4C).

Control direccional (DCL) (%): La cantidad de movimiento hacia la dirección prevista menos la cantidad de movimiento fuera del eje (Figura 4D).

Figura 4: Resultado representativo para los participantes con CAI durante LOS. (A) Representación gráfica de los resultados del tiempo de reacción. (B) Representación gráfica de los resultados de la velocidad del movimiento (o/s). (C) Representación gráfica del punto final y resultados máximos de la excursión (%). (D) Representación gráfica de los resultados del control direccional (%). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Prueba de control del motor: Utilice esta prueba para evaluar la capacidad del participante para producir una respuesta motora eficaz y para restaurar la estabilidad del COG para hacer frente al desplazamiento posterior repentino de las placas de fuerza.

Simetría de peso: Esto se refiere a la distribución de peso de ambas patas. La apariencia de una barra roja indica el peso asimétrico de las patas izquierda y derecha(Figura 5A). Las barras muestran la confirmación generada por ordenador. Si este valor es bajo (≤2), la latencia es anormal. Si este valor es 0, falta la respuesta y necesita una nueva prueba.

Latencia (ms): El tiempo de respuesta desde el movimiento de las placas de fuerza de presión hasta el movimiento de la COP. (1) La aparición de una barra roja en el lado unilateral durante el desplazamiento hacia adelante/hacia atrás puede deberse a una lesión ortopédica unilateral. (2) La aparición de una barra roja en los lados bilaterales durante el desplazamiento hacia adelante/hacia atrás puede indicar la ocurrencia de daños en la rama eferente de la vía de circulación larga. (3) La aparición de una barra roja en los lados bilaterales durante el desplazamiento hacia adelante y hacia atrás puede deberse a neuropatía periférica, enfermedades de la columna vertebral, esclerosis múltiple y patología cerebral/cortical (Figura 5B).

Escala de amplitud: Esta es la fuerza ejercida sobre la placa de fuerza por la pierna en respuesta a la perturbación. El aumento de la escala de amplitud (AS) debe ser bípedo simétrico y debe estar relacionado con las amplitudes del deslizamiento de la placa de fuerza (Figura 5C).

Figura 5: Resultados representativos de los participantes con CAI durante la prueba de control motor. (A) Representación gráfica de los resultados de la simetría de peso. (B) Representación gráfica de los resultados de latencia (ms). (C) Representación gráfica de los resultados AS. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Prueba de adaptación
La puntuación de energía de balanceo (SES) se determina en función de la velocidad y aceleración de la COP durante los primeros 2 s de perturbación y se exporta (Figura 6). Una barra roja que alcanza los 200 puntos indica la pérdida de equilibrio (caída). (1) Si las barras rojas no alcanzan los 200 puntos en el área gris menos de dos veces en cinco ensayos, y otras barras permanecen verdes, entonces la variación es normal, y el riesgo de caída está ausente. (2) Las barras rojas que alcanzan los 200 puntos cada vez en cinco ensayos pueden deberse a las siguientes razones. El COG es hacia atrás excesivamente cuando las placas de fuerza giran en la dirección de los dedos hacia arriba y viceversa. El rango de movimiento del tobillo es limitado. Las articulaciones del tobillo o las extremidades inferiores son débiles. El sistema nervioso central es disfuncional. (3) Las barras rojas alcanzan los 200 puntos dos veces en cinco ensayos, mientras que otras barras permanecen verdes debido a la influencia del miedo o la ansiedad. (4) La aparición de una barra roja en el área gris cinco veces puede deberse a la debilidad de las articulaciones del tobillo, las extremidades inferiores, el miedo o la ansiedad.

Figura 6: SES de participantes con CAI durante ADT. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Resultados de sEMG
Tomando vastus medialis por ejemplo, los datos sin procesar y procesados de sEMG se muestran durante SOT, US, MCT y ADT (Figura 7 y Figura 8). El intervalo indicado por la línea roja y las puntas es el intervalo donde la luz indicadora del sistema CDP está encendida y es la etapa de prueba.

Figura 7: Datos brutos de sEMG para vastus medialis durante SOT, US, MCT y ADT.
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Figura 8: Datos procesados de sEMG para vastus medialis durante SOT, US, MCT y ADT.
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Los parámetros sEMG que corresponden a las etapas de prueba de SOT, US, LOS, MCT y ADT son los siguientes. iEMG refleja la energía muscular que se acumula por unidad de tiempo. RMS refleja la potencia media de la señal EMG. MPF significa el valor promedio de cada potencia en la distribución del espectro de potencia. MDF divide el espectro de potencia en dos partes con áreas iguales. La relación de coactivación refleja la coordinación entre los músculos agonísticos y antagónicos de la fase de activación en las pruebas.

Archivo Suplementario 1: Introducción al Sistema de Posturografía Dinámica Computarizada. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Tabla Suplementaria 1: Técnica de aplicación en los sitios musculares de los electrodos sEMG Haga clic aquí para descargar esta tabla.

Tabla Suplementaria 2: Postura Estándar para el Método de Normalización EMG para músculos medidos. Haga clic aquí para descargar esta tabla.

Los autores no tienen nada que revelar.