Este protocolo detalla un enfoque estandarizado para cuantificar la distribución de presión plantar, el equilibrio del pie y el ángulo del eje del pie durante tareas de cambio de dirección de 45° utilizando una placa de presión Footscan, lo que permite una evaluación reproducible de los patrones de carga bilateral de las extremidades a una velocidad de aproximación controlada.
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Artículo de investigación
Efecto del movimiento de cambio de dirección (COD) sobre la presión plantar y el equilibrio del pie en extremidades bilaterales
En este artículo
Resumen
Resumen
Este protocolo establece un enfoque estandarizado para comprobar si una tarea de cambio de dirección (COD) de 45° provoca carga plantar asimétrica entre extremidades dominantes y no dominantes. El flujo de trabajo incluye calibración de placas de presión, preparación de participantes descalzos y control de velocidad de aproximación a 3,5 m·s⁻¹ (±5%) utilizando compuertas de temporización para mejorar la consistencia del ensayo. La carga plantar se cuantifica mediante segmentación de pie en diez regiones, y la postura se normaliza en el tiempo a 101 puntos. Las trayectorias de fuerza se normalizan a la fuerza vertical media (Zavg), lo que permite la comparación entre extremidades de señales continuas en el tiempo. Las diferencias de extremidades se evalúan utilizando el Mapeo Paramétrico Estadístico Unidimensional (SPM1d) con inferencia basada en teoría de campos aleatorios, complementada por métricas resumidas discretas (por ejemplo, picos regionales e índices de equilibrio de pies) según sea necesario. En una cohorte de 15 adultos sanos que realizaron ensayos estandarizados de COD a 45°, los análisis continuos en el tiempo no revelaron significación estadística a nivel de curva entre extremidades, lo que indica un alto grado de simetría funcional bajo las condiciones actuales. Aunque se observaron pequeñas tendencias direccionales en algunas regiones plantares, estas deben interpretarse como estrategias descriptivas más que como estrategias específicas de cada extremidad. En conjunto, el protocolo proporciona un marco transparente y reproducible para la investigación bilateral en mecánica plantar, apoyando aplicaciones en pruebas de rendimiento deportivo, evaluación de calzado, seguimiento de rehabilitación y evaluación clínica de la marcha.
Introducción
Los movimientos de cambio de dirección (COD) son habilidades clave en muchos deportes, especialmente en actividades de alta intensidad como el fútbol americano, baloncesto y rugby, donde la velocidad y la precisión afectan directamente al rendimiento atlético y lacompetitividad 1,2. Las investigaciones han demostrado que los movimientos de la muerte en la muerte no solo requieren que los atletas posean altos niveles de fuerza y explosividad en las extremidades inferiores, sino que también exigen buena coordinación y un control fino de lamarcha 2,3,4. Para obtener una comprensión completa de los mecanismos biomecánicos subyacentes a los movimientos de la MCO, especialmente el impacto sobre la presión plantar, numerosos estudios se han centrado en explorar los parámetros cinemáticos y cinéticos relacionados, especialmente los cambios bajo diferentes velocidades de movimiento y condiciones de marcha.
La distribución de presión plantar refleja los cambios dinámicos en la estructura, función y control general de la postura corporal 5,6,7. Analizando la presión plantar, se pudieron comprender los parámetros fisiológicos y patológicos biomecánicos y las características funcionales del cuerpo humano bajo diferentes posturas y condiciones de movimiento 8,9. En los últimos años, el análisis de la distribución de la presión plantar se ha convertido en una herramienta importante en ciencias biomédicas, diseño de calzado y rendimiento deportivo, ayudando así a esclarecer las complejas interacciones biomecánicas entre el pie y el suelo. Trabajos previos demostraron que el análisis de presión plantar puede revelar adaptaciones relacionadas con el rendimiento; Por ejemplo, los futbolistas profesionales muestran una mayor carga en la parte delantera del pie en comparación con los atletas recreativos, reflejando las exigencias específicas de propulsión y estabilidad de cada deporte. Mientras tanto, actividades dinámicas, como caminar y aterrizar, generaron cargas plantares notablemente mayores que estar de pie estático, lo que subraya la importancia biomecánica de la redistribución de la presión en el pie durante el movimiento10. Además, Pataky et al. contrastaron el submuestreo discreto tradicional con el SPM de presión plantar basado en curvas (pSPM) y demostraron que la velocidad de caminata afecta sistemáticamente a las estimaciones máximas de presión plantar, destacando que la inferencia campo a campo reduce la dependencia de ventanas de muestreo arbitrarias, apoyando nuestro uso de SPM para análisis continuos en eltiempo 11.
Los deportes y las actividades atléticas imponen exigencias biomecánicas únicas para los pies, especialmente durante cortes rápidos y otras maniobras de alta intensidad. Amaro et al. (2020) informaron que los movimientos específicos del baloncesto, como correr, cortar y rebote, producían variaciones dependientes del movimiento en la presión plantar máxima en las regionesdel pie 12. Serrano et al.13 demostraron además que los jugadores jóvenes de fútbol sala mantuvieron patrones de presión plantar consistentes durante las maniobras de COD en diferentes superficies, destacando la biomecánica adaptativa del pie en contextos dinámicos. Kong et al.14 encontraron un aumento significativo de la carga delantera del pie durante el sprint, el corte de 45° y las bandejas en comparación con la carrera, subrayando la importancia biomecánica de la redistribución de la presión plantar durante tareas específicas de cada deporte.
A pesar de la amplia aplicación del análisis de presión plantar en la investigación deportiva y de calzado, pocos estudios han examinado sistemáticamente la distribución de la presión plantar y el comportamiento del equilibrio de los pies durante tareas estandarizadas de COD. El presente estudio aborda esta brecha proponiendo un protocolo reproducible para la evaluación bilateral de la presión plantar y el equilibrio de los pies durante una maniobra de COD de 45° bajo condiciones controladas de velocidad. Los autores seleccionaron un ángulo de corte de 45° porque representa un ángulo de COD moderado comúnmente utilizado en investigación biomecánica, equilibrando la relevancia deportiva con la viabilidad en laboratorio y la seguridad de los participantes. Además, se sabe que la mecánica de la COD varía según el ángulo de corte y la velocidad de aproximación; Por lo tanto, los presentes hallazgos deben interpretarse como específicos para una tarea estandarizada de 45° realizada a una velocidad de aproximación controlada. Planteamos la hipótesis de que el miembro dominante exhibiría una mayor carga en las regiones del antepié relacionadas con la propulsión, mientras que el miembro no dominante mostraría una mayor variabilidad mediolateral en los índices de equilibrio del pie, reflejando su papel estabilizador. Las combinaciones seleccionadas de velocidad y marcha se basan en la literatura existente y en conjuntos de datos de código abierto combinados con la investigación biomecánica actual sobre los movimientos de la EOC, para garantizar la naturaleza científica y representativa de las condicionesexperimentales 15,16.
Este estudio pretende revelar los patrones de distribución de la presión plantar y el equilibrio del pie durante los movimientos de la Muerte de la Muerte bajo condiciones estandarizadas de velocidad y marcha. Al analizar las respuestas biomecánicas en este contexto específico de movimiento, se espera que los hallazgos proporcionen conocimientos teóricos para la ciencia del deporte, las estrategias de rehabilitación y el diseño de calzado deportivo, ofreciendo orientación práctica para optimizar el entrenamiento y las técnicas de movimiento de los atletas.
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Protocolo
El estudio ha obtenido la aprobación del Comité de Ética del Instituto de Investigación de la Universidad de Ningbo (Número de aprobación: ty2022020). Todos los participantes dieron su consentimiento por escrito, habiendo sido informados sobre el propósito, los requisitos y los procedimientos del experimento. El equipo y el software utilizados se enumeran en la Tabla de Materiales.
1. Preparación de laboratorio
Se utilizó una placa de presión Footscan de 2 m (2,0 m × 0,40 m × 0,02 m, 16.384 sensores) y se muestreó a 480 Hz. La placa se incrustó al ras de la pista circundante mediante alfombrillas protectoras para eliminar artefactos a la altura de los escalones. El sistema fue calibrado en cero y calibrado según las instrucciones del fabricante, y el número de serie y el archivo de calibración de la placa conectada se verificaron antes de la prueba.
La velocidad de aproximación en los últimos 2 m antes del contacto con el pie se monitorizaba con compuertas de temporización infrarrojas dobles, separadas por 2,0 m a una altura de haz de 80 cm y alineadas con la pista. Las compuertas se colocaron a ambos lados de la pista para no interferir con la maniobra de la COD. Los participantes debían mantener 3,5 m·s⁻¹ (±5%) a lo largo de la trayectoria de aproximación antes de contactar con la placa de presión. Aunque las compuertas de temporización cuantifican la velocidad media en los últimos 2 m, los participantes se acercaron por la pista de alfombra azul y realizaron una maniobra de cambio de dirección (COD) de 45° de modo que el pie de la planta (girando) tocó el área activa de la placa de presión. Para minimizar la colocación de los pies, no se proporcionaron marcadores visuales y se permitieron varios ensayos de práctica. Se consideró válido un ensayo si el pie de la planta lograba contacto total dentro del área activa sin un ajuste evidente de zancada; Se repitieron ensayos con contacto parcial o objetivo evidente.
2. Preparación de participantes
Todos los participantes proporcionaron un consentimiento informado por escrito tras recibir una explicación clara de los objetivos y procedimientos del estudio, con oportunidades para hacer preguntas. Para minimizar la variabilidad inter-extremidades, solo se reclutaron individuos dominantes en la pierna derecha. La dominancia de la pierna se determinó mediante la prueba preferida de patada (≥2 confirmaciones en tres ensayos); Todos los participantes eran dominantes en la pierna derecha. La muestra final incluyó quince adultos chinos sanos (9 varones, 6 mujeres; edad: 22 años; peso: 65,52 kg; altura: 170,3 cm), todos los cuales no tenían antecedentes de lesiones en las extremidades inferiores ni deformidades en los pies en los últimos seis meses. El criterio específico de inclusión fue diseñado para reducir los efectos de confusión de edad y sexo, mejorando así la reproducibilidad y validez estadística de los resultados experimentales.
Se indicó a los participantes que llevaran pantalones deportivos ajustados y se mantuvieran descalzos sobre la placa Footscan con ambos pies juntos. A continuación, se recogieron y registraron datos antropométricos, incluyendo altura, peso, longitud del pie, talla de zapato y tipo de arco. La altura longitudinal medial del arco se evaluó utilizando el Índice de Altura del Arco (AHI), calculado como la proporción entre la altura del dorso (medida en el 50% de la longitud total del pie) y la longitud total del pie. Se consideraron valores de AHI entre 0,310 y 0,356 indicativos de una estructura de arconormal 17.
Antes de comenzar los ensayos principales, se mostró primero a los participantes una demostración de las tareas de movimiento requeridas. A continuación, cada participante realizó un trote lento de 10 minutos como calentamiento estandarizado para asegurar una preparación fisiológica adecuada tanto para registros estáticos como dinámicos.
3. Justificación del tamaño de la muestra
Un análisis de sensibilidad para una prueba t emparejada de dos colas (α=0,05, 1−β=0,80, n=15) indicó que el estudio estaba potenciado para detectar efectos dentro del sujeto de aproximadamente la dz de Cohen ≈ 0,74 para el resultado discreto primario (FBI).
4. Segmentación y abreviaturas de la región plantar
La superficie plantar del pie fue dividida en 10 regiones anatómicas por el software Footscan: hallux (T1), dedos menores considerados como una sola región (T2-T5), del primer al quinto metatarsiano (M1-M5), talón medial (MH), talón lateral (LH) y mediopié (MF). Para el Índice de Equilibrio del Pie (FBI), la carga medial se definió como las fuerzas normalizadas sumadas de M1, M2 y MF, mientras que la carga lateral comprendía M3, M4, M5 y LH. Esta clasificación sigue las reglas predeterminadas de segmentación de Footscan basadas en cabezas metatarsianas, división calcánea, y límites de la mitad del pie (30%-60% de longitud de pie). Una clave completa de abreviatura se proporciona en la Figura 1A.
5. Medición estática
- Postura y disposición
Los participantes permanecían descalzos sobre la placa de presión montada a ras en una cómoda postura bípeda, con los pies aproximadamente separados al ancho de los hombros, las rodillas extendidas pero no bloqueadas, los brazos relajados junto al cuerpo y la mirada fija en una marca de pared a la altura de los ojos ~3 m delante. Los pies estaban alineados con el eje AP (anteroposterior) de la placa; no se colocaban objetivos visuales bajo los pies para evitar sesgos posicionales. - Estabilización y registro
Tras una estabilización silenciosa de 3 a 5 s, se registró una única instantánea estática de la distribución de presión plantar. Se recogieron dos repeticiones válidas por participante con ≥30 s sentados en reposo entre ensayos para minimizar la deriva postural. - Validez y criterios de repetición
Se consideró válido un ensayo estático si (1) el contacto plantar total de ambos pies era visible dentro del área activa, (2) no se produjeron ajustes evidentes de movimiento o escalones durante la ventana de estabilización, y (3) no hubo solapamiento ni truncamiento de huellas en los márgenes de la placa. Se repitieron los ensayos que no cumplían estos criterios. - Variables derivadas (estáticas)
A partir de la instantánea estática, calculamos presión/fuerza regional a lo largo de las diez regiones anatómicas (clave abreviatura en la Figura 1A) y los índices descriptivos usados para el control de calidad del protocolo (por ejemplo, relación total de fuerza lateral a lateral). Los datos estáticos se usaban únicamente para documentar la distribución base y la calidad de la segmentación de placas; todas las pruebas de hipótesis se realizaron en ensayos dinámicos de COD.
6. Medición dinámica
Los participantes realizaron ensayos de descenso de 45° de EQC laterales. Para la condición de corte hacia la derecha, el pie izquierdo (de giro/planta) aterrizaba completamente sobre la placa de presión. Para asegurar una colocación consistente del pie y un contacto plantar completo, se estableció una marca de salida fija individual para cada participante durante la familiarización, de modo que el enfoque produjera una secuencia de pasos a la derecha y luego a la izquierda, con el paso girando a la izquierda en contacto con la placa. Antes de las pruebas formales, los participantes realizaron múltiples carreras de familiarización para establecer una marcha natural y repetible sin objetivos visuales en el plato. Se registraron al menos tres ensayos válidos por condición; Los ensayos con contacto incompleto o objetivo visible fueron descartados y repetidos. Para la condición de corte hacia la izquierda, la marca de salida y la secuencia de pasos se reflejaron de modo que el pie de giro a la derecha tocó la placa de presión bajo criterios idénticos.
La pista del laboratorio medía 10 m; La placa de presión estaba empotrada al ras y situada a 6 m de la línea de salida, dejando ~6 m para la aproximación y ~2 m para la desaceleración post-contacto. La velocidad de aproximación se monitorizaba mediante dos compuertas de temporización de haz único (altura de haz 80 cm) situadas separadas por 2,0 m a lo largo de la trayectoria de aproximación, con la compuerta aguas abajo alineada con el borde proximal del área activa de la placa de presión, midiendo así los últimos 2 m antes del contacto con los pies. Un ensayo se aceptó como válido solo cuando la velocidad de aproximación medida era de 3,5 m·s⁻¹ (±5%).
Todos los ensayos fueron observados de cerca por investigadores capacitados para asegurar el cumplimiento del rango de velocidad indicado y la correcta ejecución de la tarea. Los datos cinéticos eran recogidos automáticamente por el sistema Footscan y almacenados de forma segura para su posterior análisis. El patrón de pisada no estaba explícitamente controlado; Los participantes realizaron la tarea usando sus estilos de carrera autoseleccionados.
7. Procesamiento de datos
Tras el experimento, todos los datos recogidos se procesan manualmente usando el software Footscan.
Cada ensayo estático y dinámico fue examinado cuidadosamente para identificar datos faltantes o patrones de contacto con los pies alterados y así garantizar la validez de los datos. La identificación de los pies izquierdo y derecho se determinó a partir de imágenes dinámicas de presión plantar capturadas en contacto con el pie, que proporcionaron una representación visual de la distribución máxima de presión y la ubicación del centro de presión durante la fase de postura.
La superficie plantar se dividió inicialmente en diez regiones anatómicas utilizando la función automatizada de segmentación del sistema, que clasificaba el pie en zonas de antepié, mediopié y trasero. Posteriormente se aplicaron ajustes manuales según fuera necesario para asegurar una delimitación regional precisa. A partir de la segmentación final, se extrajeron valores de presión de cada región y se utilizaron para generar curvas regionales de presión-tiempo para un análisis posterior.
Los datos de presión plantar se exportaban por separado tanto para condiciones estáticas como dinámicas. Los parámetros exportados incluían ángulos de pie, hachas de pie, balance de pie y valores de presión específicos de zona (Figura 1), que se extrajeron de las regiones predefinidas del pie.
NOTA: A pesar de la estricta adhesión al protocolo experimental, los datos de algunos participantes estaban incompletos debido a la desaparición de trayectorias marcadas dentro del software Footscan.
8. Presión y fuerza plantar
Para examinar la distribución de la carga plantar durante la postura, se extrajeron datos de fuerza y presión plantar en series temporales de diez regiones plantares. Las curvas fuerza/presión-tiempo se normalizaron en el tiempo a 101 puntos para asegurar la comparabilidad temporal entre ensayos. Para minimizar la variabilidad entre sujetos (por ejemplo, debida a la masa corporal), las fuerzas regionales se normalizaron a la fuerza vertical media sobre la postura (Zavg), definida como,
(1)
Donde Fz (t) es la fuerza vertical de reacción del suelo en el sistema t, y N es el número de sistemas de postura. Las fuerzas normalizadas se informan como adimensionales (×1). En cambio, las presiones plantares regionales se analizaron en unidades físicas (kPa) sin normalización, ya que ya se expresan en relación con el área de contacto. Este esquema de normalización para las fuerzas sigue estudiosprevios 18.
9. Equilibrio de pies
El índice de equilibrio del pie (FBI), mostrado en la Ecuación 2, se refiere a la pronación o supinación del pie durante la fase de postura (Figura 1)19. El Favg utilizado para el cálculo del FBI es la fuerza media de todo elplantar 19. El FBI se calculó como,
(2)
donde Fmedial y F lateral representan las fuerzas plantares sumadas de las regiones medial (M1, M2, MH) y lateral (M3-M5, LH), respectivamente. Los valores positivos del FBI indican una mayor carga medial (pronación), mientras que los valores negativos indican una mayor carga lateral (supinación).
Cabe señalar que MF fue excluida intencionadamente del grupo FBI (medial = M1, M2, MH; lateral = M3-M5, LH) para evitar la variabilidad relacionada con el arco y centrarse en el equilibrio antepié/talón.
10. Ángulo del eje del pie
El ángulo del eje del pie refleja el grado de rotación interna y externa del pie durante la marcha. El ángulo está compuesto por una línea conectada entre el punto medio del talón y el punto medio del espacio entre el segundo y el tercer metatarsiano. La línea de dirección del movimiento se define como el ángulo19 del eje del pie (Figura 1). La rotación interna y externa del pie en el plano horizontal se representaba por ángulos negativo y positivo, respectivamente.
11. Análisis estadístico
Se analizaron medidas de resultado discretas (por ejemplo, Índice de Equilibrio del Pie, presión plantar en varias regiones del pie y ángulo del eje del pie) utilizando SPSS v19.0. Para cada uno de los 15 participantes, los datos del pie dominante y no dominante se trataron como muestras emparejadas. Por ello, se realizaron pruebas t pareadas para datos distribuidos normalmente (con normalidad verificada en función de la distribución de las diferencias dentro del sujeto), mientras que se aplicaron pruebas de rango de signos de Wilcoxon para comparaciones no paramétricas. Para cada condición, las curvas a nivel de ensayo se promediaron dentro de las comparaciones entre extremidades antes del sujeto; Las métricas discretas utilizaron la media dentro del sujeto de ensayos válidos.
Para series temporales de presión plantar continua, los valores se normalizaron por Zavg (véase Procesamiento de Datos) y se normalizaron en el tiempo a 101 puntos mediante interpolación lineal. Posteriormente, se utilizó mapeo paramétrico estadístico unidimensional (SPM1d) con pruebas t pareadas para comparar curvas de presión a lo largo de toda la fase de postura. Se empleó la teoría de campos aleatorios (RFT) para controlar errores campo a campo y corregir comparaciones múltiples a lo largo deltiempo 20. Todos los análisis de series temporales se realizaron en MATLAB R2018a, y el umbral de significación se estableció en 0,05.
Para controlar el error familiar en múltiples comparaciones discretas, los valores p para resultados regionales/métricos discretos se ajustaron utilizando el procedimiento de Holm-Bonferroni (α = 0,05). Se reportan tanto interpretaciones de significación no ajustadas como ajustadas cuando es relevante.
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Resultados
Cambios variables en el tiempo de fuerza y presión en las diez regiones
Durante los movimientos de cambio de dirección, el pie dominante mostró valores de fuerza y presión en series temporales más altos que el pie no dominante en la mayoría de las regiones plantares (por ejemplo, M1, M3, M4, MF y SUM), especialmente durante la fase de postura media a tardía. Sin embargo, el análisis de mapeo paramétrico estadístico (MPS) reveló que estas difer...
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Discusión
Este estudio exploró las diferencias bilaterales en la distribución de la presión plantar y el equilibrio de los pies durante una tarea estandarizada de 45° de COD. En general, los análisis SPM1d continuos en el tiempo no identificaron diferencias estadísticamente significativas entre extremidades en las trayectorias regionales de fuerza/presión entre posturas. Aunque el miembro dominante mostró magnitudes ligeramente mayores en algunas regiones y el miembro no dominante mostró la tenden...
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Divulgaciones
Los autores no tienen nada que revelar.
Agradecimientos
Este estudio fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (12202216), la Fundación de Ciencias Naturales de Ningbo (2023J128), el Proyecto Interdisciplinar de Fondo Innovador para la Juventud "Mechanics+" de la Universidad de Ningbo (GC2024006), y el Centro de Investigación en Ingeniería de Zhejiang para Nuevas Tecnologías y Aplicaciones de Imágenes por Resonancia Magnética Libre de Helio Líquido (2024GCLX05).
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Una placa de presión Foustcan de 2 m | Tekscan Inc., EE. UU. | 5101 | |
| Software para adquisición de datos | Tekscan Inc., EE. UU. | www.tekscan.com/products/software | |
| Compuertas de temporización infrarrojas | Compañía de Instrumentos Lafayette, EE. UU. | 5016A | |
| MATLAB | MathWorks, EE. UU. | www.mathworks.com/products/matlab | |
| Caja de herramientas SPM1d | Código abierto (Mapeo Paramétrico Estadístico) | www.spm1d.org |
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