Cifuentes de la Portilla, Christian Javier
Bayod López, Javier (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2019
Resumen: El pie plano adquirido en adultos (PPAA) es una patología crónica y degenerativa que resulta en la alteración progresiva de la estructura del pie (1), cuya prevalencia va en aumento debido al envejecimiento de la población (2,3). Esta patología está caracterizada por el alargamiento del arco plantar, acompañada de la pérdida de la relación interarticular y pronación del medio y retropié. Esta condición es causada por la pérdida del soporte de las estructuras dinámicas y estáticas del arco longitudinal medial del pie (4).
En los últimos 30 años, se ha tratado de comprender y explicar el deterioro gradual que se genera sobre los tejidos del pie. Lo que inicia como una tendencia pronadora del retropié, puede progresar hasta un colapso del arco plantar, llegando a producir deformaciones dolorosas e inhabilitantes (1).
En la actualidad, existe un amplio abanico de tratamientos para corregir esta deformación. Generalmente, la elección de un método u otro depende esencialmente del estadio de la patología. Sin embargo, este proceso tiene un componente altamente subjetivo, pues depende esencialmente del conocimiento y experiencia del especialista. Los procedimientos quirúrgicos usados tradicionalmente generan alteraciones en la tensión de los tejidos del pie que no han sido analizados, dada la imposibilidad de realizar mediciones biomecánicas in vivo. Por lo tanto, especialmente en estadios intermedios, no hay un consenso clínico de tratamiento, lo cual motiva el desarrollo de estrategias que amplíen la información disponible para la toma de decisiones clínicas (5).
La tesis presentada en este documento muestra el desarrollo de un modelo computacional que permite realizar un análisis biomecánico de los procedimientos quirúrgicos tradicionalmente usados para el tratamiento del PPAA, generando información relevante sobre las tensiones experimentadas tanto en los tejidos estabilizadores dinámicos y estáticos del arco plantar, como sobre las articulaciones del retropié y los metatarsos. Además, se analizó el efecto biomecánico de tratamientos no tradicionales que recientemente han mostrado resultados favorables en la práctica clínica, pero que no han sido reportados aún en la literatura.
1.1 GENERALIDADES:
En la literatura clínica, tradicionalmente se ha considerado que la causa principal del desarrollo del PPAA es el debilitamiento del tendón tibial posterior (TTP). Se asume que la pérdida progresiva de fuerza genera el colapso característico del arco plantar (6,7,8,9). Este tendón es capaz de ejercer una importante fuerza de supinación a nivel del eje de la articulación subtalar y por lo tanto resistir cualquier influencia pronadora sobre ella. Por lo tanto, algunos clínicos consideran que, ante la debilidad de este tendón, el pie es mucho más susceptible de generar fuerzas de pronación, generando la deformación típica del pie plano (10).
Sin embargo, nuevos estudios e investigaciones muestran que, el debilitamiento o rotura del ligamento Calcáneo-escafoideo (tradicionalmente conocido como ligamento Spring), lesiones sobre los ligamentos del seno del tarso (entre el calcáneo y el astrágalo) (4,11,12) o el debilitamiento de la fascia plantar (Fascitis plantar), pueden desarrollar un pie plano. Con lo anterior, algunos autores sugieren que la lesión observada sobre el TTP en pacientes que desarrollan el pie plano es generada por el debilitamiento previo de alguno de los estabilizadores estáticos fundamentales del arco longitudinal plantar, esto es: la fascia plantar, el ligamento Spring o los ligamentos plantares corto y largo (8), con lo cual se puede asumir que la disfunción del tendón tibial posterior puede ser tanto la causa como la consecuencia de lesiones en estas estructuras.
Esta discusión clínica que enmarca la compresión del desarrollo del PPAA, se ve reflejada en la alta variabilidad de estrategias de tratamiento de la patología entre especialistas, sobre todo en estadios intermedios (1).
Actualmente, el tratamiento del PPAA comprende desde fisioterapias programadas hasta cirugías de alta complejidad (1,5,13). La elección del método depende tanto del estadio de avance de la patología como del criterio del cirujano (1,8). La mayoría de las técnicas quirúrgicas empleadas para corregir el pie plano en su estadio inicial están encaminadas a reforzar el TTP (8,14,15). Estas son aplicables cuando el retropié todavía es flexible y se busca simplemente reforzar el tendón con el fin de equilibrar fuerzas (16,17).
En estadios más avanzados, la técnica quirúrgica escogida es la osteotomía de calcáneo (1,6), la cual, en algunos casos, se complementa con una artrodesis en torno al Astrágalo (8,17,18). Algunos especialistas eligen bloquear las 3 articulaciones del retropié (Triple artrodesis) para estos casos. Esta técnica puede ser considerada como la técnica estándar para el tratamiento del PPAA (1). Sin embargo, a pesar de ser una estrategia ampliamente utilizada, no se ha considerado el efecto de bloquear las articulaciones del retropié y forzar las demás articulaciones. Existen informes de desarrollo de pseudoartrosis y dolor articular, pero no han sido cuantificados (19). Es decir, sus efectos secundarios son desconocidos (20), debido a la complejidad intrínseca de los tejidos del pie y la imposibilidad de realizar mediciones in vivo.
En el campo de la ingeniería biomédica, este tipo de limitaciones propias de la experimentación clínica, se han superado mediante el uso de modelos, entre los cuales se destaca actualmente el modelado computacional por elementos finitos. Dado el avance significativo de la capacidad de cómputo de los procesadores modernos, ha sido posible representar adecuadamente el comportamiento biomecánico de los tejidos del pie humano (huesos, tendones, músculos, cartílagos y ligamentos).
Actualmente, varios estudios han sido encontrados en la literatura académica, orientados a modelar el pie plano y evaluar superficialmente algunas de las técnicas quirúrgicas comentadas (17,21,22,23,24). Sin embargo, todos reducen la representación de los tejidos estabilizadores estáticos del arco plantar a elementos unidimensionales puramente elásticos (elementos barra), lo cual impide el estudio de tensiones y demás variables biomecánicas que resultan determinantes para comprender el efecto de la patología y cada uno de los tratamientos sobre estos tejidos.
Considerando la complejidad del problema de investigación propuesto, se dividió su desarrollo en fases, las cuales se describen a continuación:
• Diseño inicial modelo pie plano
Esta fase del proyecto de investigación parte de un modelo de pie normal (25) en fase de apoyo medio (Midstance). De este modelo se mantienen las estructuras base estrechamente ligadas con la patología (huesos, geometría de cartílagos, tendones y fascia plantar). Sobre esta base, se incluyeron las estructuras estabilizadoras estáticas del arco plantar (ligamento Spring, ligamentos plantar corto y plantar largo) y se modificaron las estructuras estabilizadoras dinámicas (Tendón Tibial Posterior (TTP), Tendón Peroneo Corto (TPC) y Tendón Peroneo Largo (TPL)).
• Evaluación de estructuras encargadas de mantener el arco plantar
La evaluación de las estructuras encargadas de mantener el arco plantar es uno de los objetivos principales de esta tesis. Como se mencionó antes, actualmente se ha identificado que el desarrollo de PPAA no solo es causado por el debilitamiento o rotura del tendón tibial posterior. Existe evidencia que sugiere que el ligamento Spring juega un papel muy importante en el mantenimiento del arco plantar, así como también los ligamentos del seno del tarso y la fascia plantar. Por esta razón, en esta fase del proyecto se evaluó el efecto de variar las propiedades mecánicas de distintas estructuras del pie mediante la técnica de elementos finitos, identificando objetivamente, cuál de ellas tiene mayor efecto para el desarrollo del pie plano.
A continuación, se mencionan brevemente algunas de las pruebas y evaluaciones realizadas:
• Debilitamiento del tendón tibial posterior
El objetivo de esta prueba es verificar, a través de las simulaciones obtenidas del análisis de elementos finitos, el efecto del debilitamiento o ruptura del tendón tibial posterior sobre la estructura del pie y el arco plantar. Esta es la principal causa de desarrollo del PPAA aceptado en el ámbito clínico-quirúrgico.
• Afectación del ligamiento Spring
Actualmente, estudios sugieren que además del TTP, el ligamento Spring es un actor importante en el mantenimiento del arco plantar (1). Por esta razón, es necesario evaluar el efecto que tiene la alteración de las propiedades mecánicas del ligamento sobre la estructura del pie.
• Afectación de la fascia plantar
Además del TTP y del ligamento Spring, se ha sugerido también que existen otros elementos importantes en el mantenimiento del arco plantar, entre los cuales destaca la fascia plantar. Por esta razón, en esta tesis se evaluará también el efecto que tiene la modificación de las propiedades mecánicas de este tejido sobre la estructura del pie.
• Combinación de los casos anteriores, según el criterio del cirujano
Adicional a las pruebas comentadas anteriormente, se evaluaron los casos que sugiera el médico cirujano y podólogo experto vinculado a este proyecto de investigación. Esta evaluación está nuevamente orientada a identificar los posibles factores que generen o aumenten el riesgo de desarrollar el PPAA.
• Validación del modelo de pie plano diseñado
Esta fase del proyecto de investigación estuvo orientada a validar el modelo de pie plano diseñado y evaluado en las etapas anteriores. Esta validación se realizó mediante la comparación de los resultados de deformación obtenidos de la simulación, contra imágenes de pies reales. La comparación de las deformaciones obtenidas permitió valorar el modelo diseñado, así como su aplicabilidad clínica.
• Evaluación de cirugías de corrección de pie plano sobre el modelo.
El segundo gran componente de la tesis propuesta es la simulación y evaluación de las principales técnicas quirúrgicas utilizadas en la corrección y/o tratamiento del PPAA. Esta simulación estuvo basada en el modelo diseñado y validado en las fases anteriores.
A continuación, se mencionan las pruebas quirúrgicas evaluadas en la tesis:
• Evaluación biomecánica de osteotomía del calcáneo
Es la técnica quirúrgica de mayor uso actualmente. Consiste en cortar y desplazar parte del calcáneo, con el fin de devolver la verticalidad a la estructura del tendón de Aquiles y mejorar el valgo del retropié (18).
• Evaluación biomecánica de artrodesis astrágalo-escafoidea, astrágalo- calcánea y calcáneo-cuboidea.
La Artrodesis consiste en el bloqueo o fusión de una articulación (astrágalo-escafoidea, astrágalo - calcánea o calcáneo-cuboidea) mediante el uso de medios mecánicos (26). Esta técnica quirúrgica se utiliza generalmente como complemento a la osteotomía de calcáneo.
• Evaluación biomecánica de triple artrodesis
En un estadio III de PPAA, la técnica quirúrgica más utilizada es la triple artrodesis (bloqueo de todas las articulaciones del retro pie. A pesar de ser una técnica común, no se han estudiado el efecto de su uso sobre las demás articulaciones de forma detallada. Algunos estudios han sugerido el desarrollo de artrosis en articulaciones del medio pie, posterior a una cirugía de este tipo. El objetivo es evaluar objetivamente su efecto sobre la estructura global del pie (27).
• Evaluación de técnicas adicionales sugeridas por médico especialista
Dentro de la propuesta de tesis se incluyeron variaciones a las técnicas quirúrgicas, sugeridas por el médico experto en el área, que incluye una combinación de Osteotomía medializante de Calcáneo con Artrodesis astrágalo – Escafoidea, cuyo detalle y resultados se presentarán más adelante en el documento.
1.2 OBJETIVOS Y ALCANCE DE LA TESIS
En la literatura se encuentran numerosos modelos de pie humano, sin embargo, son relativamente pocas las investigaciones que abordan el análisis del pie plano adquirido en adultos (28). Algunos autores realizan sus investigaciones usando modelos cadavéricos. Éstos, a pesar de mantener las características biomecánicas casi intactas de los tejidos, conllevan a una inversión considerable de tiempo y recursos que limitan la repetitividad de los resultados (29). Además, aspectos como distribución de tensiones sobre los tejidos no han sido analizados. Otros investigadores, con un corte más ingenieril, han diseñado modelos computacionales basados en elementos finitos que representan fielmente la anatomía del pie humano. Estos modelos aproximan adecuadamente las deformaciones de la estructura ósea del pie y la huella plantar, pero incluyen los tejidos blandos generalmente como elementos barra (puramente deformables y unidimensionales) (30). Esta limitación impide el cálculo de tensiones sobre estos tejidos, lo cual resulta fundamental para comprender tanto las causas del pie plano adquirido en adultos, como las consecuencias o efectos secundarios sobre los tejidos circundantes de los distintos procedimientos quirúrgicos tradicionalmente usados en la clínica (31).
Algunos autores han abordado el análisis biomecánico por elementos finitos de algunas cirugías usadas para la corrección del pie plano, como las osteotomías de calcáneo. Estos modelos nuevamente obvian la inclusión de todas estructuras estabilizadoras del arco longitudinal plantar estáticas y dinámicas, y las que se incluyen, se consideran nuevamente como elementos barra, con lo cual no es posible identificar las diferencias de tensión generada por el procedimiento estudiado (23).
El estudio de las tensiones biomecánicas que se generan tanto en los tejidos blandos como el tejido óseo en el pie, son un aspecto fundamental para comprender tanto el efecto de la patología como de los procedimientos quirúrgicos usados para corregir la deformación. Aumentos en la tensión de los tejidos a causa de la patología o el propio procedimiento puede generar el fracaso del tratamiento o el desarrollo otros trastornos del pie (31). En la literatura clínica, por ejemplo, se han reportado casos de dolor y metatarsalgias en pacientes a quienes se les ha realizado una triple artrodesis (bloqueo de las articulaciones del retropié) (19). Este hecho, es causado por la dificultad de medir este tipo de variables biomecánicas sobre el tejido in vivo y la imposibilidad de incluir variables de prueba repetitivos sobre los modelos cadavéricos (1,5).
En vista de las dificultades y limitaciones de los modelos actualmente usados para analizar el desarrollo del pie plano adquirido en adultos y las estrategias clínicas empleadas en su tratamiento, sumando al desconocimiento actual del efecto tensional de las técnicas quirúrgicas usadas, esta tesis presenta como objetivo general lo siguiente:
• Evaluar el efecto del pie plano adquirido en adultos (PPAA) sobre las estructuras anatómicas que mantienen el arco plantar y el efecto de los principales procedimientos quirúrgicos usados en el tratamiento de esta patología, mediante el diseño de un modelo de pie en elementos finitos.
Como objetivos particulares de este estudio, se propusieron los siguientes:
1. Diseñar un modelo de pie plano que considere las estructuras anatómicas implicadas en el desarrollo del PPAA a partir de un modelo de pie normal.
2. Evaluar la participación de cada una de las estructuras encargadas de mantener el arco plantar mediante simulaciones del modelo de pie plano en elementos finitos.
3. Valorar el impacto de los principales procedimientos quirúrgicos usados en el tratamiento del PPAA en fase II y III mediante simulaciones en elementos finitos.
4. Validar el modelo de PPAA y la simulación de las técnicas quirúrgicas usadas en el tratamiento de la patología.
Esta tesis toma como punto de partida el modelo de pie propuesto por Morales et al. (25), del grupo de investigación Applied Mechanics & Bioengineering (AMB) de la Universidad de Zaragoza. Sin embargo, el modelo desarrollado en esta tesis incluye variaciones al modelo base y adiciona la geometría de los tejidos estabilizadores estáticos y dinámicos del arco longitudinal plantar, lo cual es fundamental para estudiar el desarrollo del pie plano adquirido en adultos. Para ello, fue empleado el Software NX I-DEAS v.5 e ICEM CFD de Ansys v. 15. Las simulaciones por elementos finitos y el postprocesado de resultados se empleó el software ABAQUS v 6.14.
1.3 DESCRIPCIÓN DEL DOCUMENTO DE TESIS
Este documento de tesis consta de 7 capítulos. Cada capítulo aporta los temas necesarios para comprender y mostrar el cumplimiento del objetivo principal de la Tesis, enfocando la discusión de cada uno hacia la valoración biomecánica de la patología y los efectos tanto del desarrollo de la enfermedad como de los tratamientos que tradicionalmente se usan en la corrección de la deformación del arco plantar.
Específicamente el trabajo se estructura como sigue:
Capítulo 1: Introducción:
Este capítulo, del cual hace parte la presente sección, tiene como objetivo fundamental mostrar una visión global del entorno de la tesis, la motivación clínica que llevaron a su realización, así como un corto resumen de la metodología empleada para su desarrollo y una corta explicación de las pruebas y procedimientos analizados. Finalmente, se presentan los objetivos que se buscaron alcanzar con esta tesis y la estructura del documento.
Capítulo 2: Pie plano adquirido en adultos: anatomía y clínica:
Este capítulo está enfocado en mostrar las características anatómicas del pie humano. Es necesario, para facilitar el seguimiento de los objetivos de esta tesis, estudiar las estructuras anatómicas y los tejidos que mantienen el pie y el arco plantar. La deformación y alteraciones generadas por el pie plano adquirido en adultos impactan sobre varias regiones anatómicas del pie, cuya descripción detallada se incluye en esta sección. Adicionalmente, se presenta un resumen de algunas de las técnicas quirúrgicas más comunes usadas en el tratamiento de esta patología y el estado del arte relacionado con este tema.
Capítulo 3: Modelado del pie humano: antecedentes y estado del arte:
En esta sección del documento, se presenta una revisión exhaustiva de los modelos usados actualmente para el estudio biomecánico del pie humano en términos generales. Además, se realiza una búsqueda específica de los modelos y representaciones usadas para estudiar el desarrollo del pie plano adquirido en adultos. Se hace un análisis crítico de los distintos enfoques propuestos, haciendo énfasis en los retos que generan estos desarrollos, las limitaciones que aún persisten, las bondades y debilidades de las propuestas actuales en el campo de la simulación computacional del pie y su aplicabilidad en el estudio de esta patología.
Capítulo 4: Modelo por EF para el estudio del desarrollo del pie plano adquirido en adultos:
El desarrollo del modelo por elementos finitos que nos permitió evaluar el desarrollo del pie plano adquirido en adultos es presentado en esta sección. Se muestra los detalles de la adquisición y desarrollo de la geometría de los tejidos usados, el proceso y características del mallado, así como las características biomecánicas consideradas para cada uno de los tejidos del modelo de pie. Se muestra además el proceso de validación realizado sobre el modelo y los resultados de tensión generados en cada tejido ante diferentes condiciones de debilidad o ruptura de las estructuras estabilizadoras estáticas y dinámicas del arco plantar.
Capítulo 5: Modelo por EF para el estudio del efecto de la osteotomía medializante de calcáneo:
En este capítulo, de forma similar al anterior, se muestra el desarrollo del modelo usado para la evaluación del efecto de la osteotomía medializante de calcáneo sobre los tejidos encargados de soportar el arco plantar. Se muestra además una comparación de las tensiones generadas en el modelo del capítulo 4 con las generadas por este modelo, evidenciando así el efecto que tiene este procedimiento quirúrgico sobre las estructuras del pie.
Capítulo 6: Estudio de las artrodesis del retropié usadas para el tratamiento del pie plano adquirido en adultos:
Los principales resultados de esta tesis se muestran en este capítulo. Aquí se detallan las pruebas realizadas y los resultados de tensión generados en cada una de las artrodesis usadas tradicionalmente en el tratamiento del pie plano adquirido en adultos, analizado en cada caso el efecto sobre los tejidos estabilizadores del arco plantar. Se hace una comparación entre el efecto de la artrodesis Astrágalo-Calcánea, Astrágalo-escafoidea, Calcáneo-Cuboidea y la Triple artrodesis. Adicionalmente, se hace un análisis de la combinación de la osteotomía medializante de calcáneo con la artrodesis astrágalo escafoidea, procedimiento propuesto por el médico especialista que asesora esta tesis. Finalmente, se presenta una extensa discusión sobre los resultados obtenidos.
Capítulo 7: Conclusiones generales y trabajos futuros:
Este capítulo final, recoge las principales conclusiones de la tesis, divididas por área de conocimiento. Adicionalmente, se presenta un corto resumen de las contribuciones originales de esta investigación y las líneas futuras de investigación que quedan abiertas tras los resultados obtenidos en este proyecto.
Resumen (otro idioma):
En los últimos 30 años, se ha tratado de comprender y explicar el deterioro gradual que se genera sobre los tejidos del pie. Lo que inicia como una tendencia pronadora del retropié, puede progresar hasta un colapso del arco plantar, llegando a producir deformaciones dolorosas e inhabilitantes (1).
En la actualidad, existe un amplio abanico de tratamientos para corregir esta deformación. Generalmente, la elección de un método u otro depende esencialmente del estadio de la patología. Sin embargo, este proceso tiene un componente altamente subjetivo, pues depende esencialmente del conocimiento y experiencia del especialista. Los procedimientos quirúrgicos usados tradicionalmente generan alteraciones en la tensión de los tejidos del pie que no han sido analizados, dada la imposibilidad de realizar mediciones biomecánicas in vivo. Por lo tanto, especialmente en estadios intermedios, no hay un consenso clínico de tratamiento, lo cual motiva el desarrollo de estrategias que amplíen la información disponible para la toma de decisiones clínicas (5).
La tesis presentada en este documento muestra el desarrollo de un modelo computacional que permite realizar un análisis biomecánico de los procedimientos quirúrgicos tradicionalmente usados para el tratamiento del PPAA, generando información relevante sobre las tensiones experimentadas tanto en los tejidos estabilizadores dinámicos y estáticos del arco plantar, como sobre las articulaciones del retropié y los metatarsos. Además, se analizó el efecto biomecánico de tratamientos no tradicionales que recientemente han mostrado resultados favorables en la práctica clínica, pero que no han sido reportados aún en la literatura.
1.1 GENERALIDADES:
En la literatura clínica, tradicionalmente se ha considerado que la causa principal del desarrollo del PPAA es el debilitamiento del tendón tibial posterior (TTP). Se asume que la pérdida progresiva de fuerza genera el colapso característico del arco plantar (6,7,8,9). Este tendón es capaz de ejercer una importante fuerza de supinación a nivel del eje de la articulación subtalar y por lo tanto resistir cualquier influencia pronadora sobre ella. Por lo tanto, algunos clínicos consideran que, ante la debilidad de este tendón, el pie es mucho más susceptible de generar fuerzas de pronación, generando la deformación típica del pie plano (10).
Sin embargo, nuevos estudios e investigaciones muestran que, el debilitamiento o rotura del ligamento Calcáneo-escafoideo (tradicionalmente conocido como ligamento Spring), lesiones sobre los ligamentos del seno del tarso (entre el calcáneo y el astrágalo) (4,11,12) o el debilitamiento de la fascia plantar (Fascitis plantar), pueden desarrollar un pie plano. Con lo anterior, algunos autores sugieren que la lesión observada sobre el TTP en pacientes que desarrollan el pie plano es generada por el debilitamiento previo de alguno de los estabilizadores estáticos fundamentales del arco longitudinal plantar, esto es: la fascia plantar, el ligamento Spring o los ligamentos plantares corto y largo (8), con lo cual se puede asumir que la disfunción del tendón tibial posterior puede ser tanto la causa como la consecuencia de lesiones en estas estructuras.
Esta discusión clínica que enmarca la compresión del desarrollo del PPAA, se ve reflejada en la alta variabilidad de estrategias de tratamiento de la patología entre especialistas, sobre todo en estadios intermedios (1).
Actualmente, el tratamiento del PPAA comprende desde fisioterapias programadas hasta cirugías de alta complejidad (1,5,13). La elección del método depende tanto del estadio de avance de la patología como del criterio del cirujano (1,8). La mayoría de las técnicas quirúrgicas empleadas para corregir el pie plano en su estadio inicial están encaminadas a reforzar el TTP (8,14,15). Estas son aplicables cuando el retropié todavía es flexible y se busca simplemente reforzar el tendón con el fin de equilibrar fuerzas (16,17).
En estadios más avanzados, la técnica quirúrgica escogida es la osteotomía de calcáneo (1,6), la cual, en algunos casos, se complementa con una artrodesis en torno al Astrágalo (8,17,18). Algunos especialistas eligen bloquear las 3 articulaciones del retropié (Triple artrodesis) para estos casos. Esta técnica puede ser considerada como la técnica estándar para el tratamiento del PPAA (1). Sin embargo, a pesar de ser una estrategia ampliamente utilizada, no se ha considerado el efecto de bloquear las articulaciones del retropié y forzar las demás articulaciones. Existen informes de desarrollo de pseudoartrosis y dolor articular, pero no han sido cuantificados (19). Es decir, sus efectos secundarios son desconocidos (20), debido a la complejidad intrínseca de los tejidos del pie y la imposibilidad de realizar mediciones in vivo.
En el campo de la ingeniería biomédica, este tipo de limitaciones propias de la experimentación clínica, se han superado mediante el uso de modelos, entre los cuales se destaca actualmente el modelado computacional por elementos finitos. Dado el avance significativo de la capacidad de cómputo de los procesadores modernos, ha sido posible representar adecuadamente el comportamiento biomecánico de los tejidos del pie humano (huesos, tendones, músculos, cartílagos y ligamentos).
Actualmente, varios estudios han sido encontrados en la literatura académica, orientados a modelar el pie plano y evaluar superficialmente algunas de las técnicas quirúrgicas comentadas (17,21,22,23,24). Sin embargo, todos reducen la representación de los tejidos estabilizadores estáticos del arco plantar a elementos unidimensionales puramente elásticos (elementos barra), lo cual impide el estudio de tensiones y demás variables biomecánicas que resultan determinantes para comprender el efecto de la patología y cada uno de los tratamientos sobre estos tejidos.
Considerando la complejidad del problema de investigación propuesto, se dividió su desarrollo en fases, las cuales se describen a continuación:
• Diseño inicial modelo pie plano
Esta fase del proyecto de investigación parte de un modelo de pie normal (25) en fase de apoyo medio (Midstance). De este modelo se mantienen las estructuras base estrechamente ligadas con la patología (huesos, geometría de cartílagos, tendones y fascia plantar). Sobre esta base, se incluyeron las estructuras estabilizadoras estáticas del arco plantar (ligamento Spring, ligamentos plantar corto y plantar largo) y se modificaron las estructuras estabilizadoras dinámicas (Tendón Tibial Posterior (TTP), Tendón Peroneo Corto (TPC) y Tendón Peroneo Largo (TPL)).
• Evaluación de estructuras encargadas de mantener el arco plantar
La evaluación de las estructuras encargadas de mantener el arco plantar es uno de los objetivos principales de esta tesis. Como se mencionó antes, actualmente se ha identificado que el desarrollo de PPAA no solo es causado por el debilitamiento o rotura del tendón tibial posterior. Existe evidencia que sugiere que el ligamento Spring juega un papel muy importante en el mantenimiento del arco plantar, así como también los ligamentos del seno del tarso y la fascia plantar. Por esta razón, en esta fase del proyecto se evaluó el efecto de variar las propiedades mecánicas de distintas estructuras del pie mediante la técnica de elementos finitos, identificando objetivamente, cuál de ellas tiene mayor efecto para el desarrollo del pie plano.
A continuación, se mencionan brevemente algunas de las pruebas y evaluaciones realizadas:
• Debilitamiento del tendón tibial posterior
El objetivo de esta prueba es verificar, a través de las simulaciones obtenidas del análisis de elementos finitos, el efecto del debilitamiento o ruptura del tendón tibial posterior sobre la estructura del pie y el arco plantar. Esta es la principal causa de desarrollo del PPAA aceptado en el ámbito clínico-quirúrgico.
• Afectación del ligamiento Spring
Actualmente, estudios sugieren que además del TTP, el ligamento Spring es un actor importante en el mantenimiento del arco plantar (1). Por esta razón, es necesario evaluar el efecto que tiene la alteración de las propiedades mecánicas del ligamento sobre la estructura del pie.
• Afectación de la fascia plantar
Además del TTP y del ligamento Spring, se ha sugerido también que existen otros elementos importantes en el mantenimiento del arco plantar, entre los cuales destaca la fascia plantar. Por esta razón, en esta tesis se evaluará también el efecto que tiene la modificación de las propiedades mecánicas de este tejido sobre la estructura del pie.
• Combinación de los casos anteriores, según el criterio del cirujano
Adicional a las pruebas comentadas anteriormente, se evaluaron los casos que sugiera el médico cirujano y podólogo experto vinculado a este proyecto de investigación. Esta evaluación está nuevamente orientada a identificar los posibles factores que generen o aumenten el riesgo de desarrollar el PPAA.
• Validación del modelo de pie plano diseñado
Esta fase del proyecto de investigación estuvo orientada a validar el modelo de pie plano diseñado y evaluado en las etapas anteriores. Esta validación se realizó mediante la comparación de los resultados de deformación obtenidos de la simulación, contra imágenes de pies reales. La comparación de las deformaciones obtenidas permitió valorar el modelo diseñado, así como su aplicabilidad clínica.
• Evaluación de cirugías de corrección de pie plano sobre el modelo.
El segundo gran componente de la tesis propuesta es la simulación y evaluación de las principales técnicas quirúrgicas utilizadas en la corrección y/o tratamiento del PPAA. Esta simulación estuvo basada en el modelo diseñado y validado en las fases anteriores.
A continuación, se mencionan las pruebas quirúrgicas evaluadas en la tesis:
• Evaluación biomecánica de osteotomía del calcáneo
Es la técnica quirúrgica de mayor uso actualmente. Consiste en cortar y desplazar parte del calcáneo, con el fin de devolver la verticalidad a la estructura del tendón de Aquiles y mejorar el valgo del retropié (18).
• Evaluación biomecánica de artrodesis astrágalo-escafoidea, astrágalo- calcánea y calcáneo-cuboidea.
La Artrodesis consiste en el bloqueo o fusión de una articulación (astrágalo-escafoidea, astrágalo - calcánea o calcáneo-cuboidea) mediante el uso de medios mecánicos (26). Esta técnica quirúrgica se utiliza generalmente como complemento a la osteotomía de calcáneo.
• Evaluación biomecánica de triple artrodesis
En un estadio III de PPAA, la técnica quirúrgica más utilizada es la triple artrodesis (bloqueo de todas las articulaciones del retro pie. A pesar de ser una técnica común, no se han estudiado el efecto de su uso sobre las demás articulaciones de forma detallada. Algunos estudios han sugerido el desarrollo de artrosis en articulaciones del medio pie, posterior a una cirugía de este tipo. El objetivo es evaluar objetivamente su efecto sobre la estructura global del pie (27).
• Evaluación de técnicas adicionales sugeridas por médico especialista
Dentro de la propuesta de tesis se incluyeron variaciones a las técnicas quirúrgicas, sugeridas por el médico experto en el área, que incluye una combinación de Osteotomía medializante de Calcáneo con Artrodesis astrágalo – Escafoidea, cuyo detalle y resultados se presentarán más adelante en el documento.
1.2 OBJETIVOS Y ALCANCE DE LA TESIS
En la literatura se encuentran numerosos modelos de pie humano, sin embargo, son relativamente pocas las investigaciones que abordan el análisis del pie plano adquirido en adultos (28). Algunos autores realizan sus investigaciones usando modelos cadavéricos. Éstos, a pesar de mantener las características biomecánicas casi intactas de los tejidos, conllevan a una inversión considerable de tiempo y recursos que limitan la repetitividad de los resultados (29). Además, aspectos como distribución de tensiones sobre los tejidos no han sido analizados. Otros investigadores, con un corte más ingenieril, han diseñado modelos computacionales basados en elementos finitos que representan fielmente la anatomía del pie humano. Estos modelos aproximan adecuadamente las deformaciones de la estructura ósea del pie y la huella plantar, pero incluyen los tejidos blandos generalmente como elementos barra (puramente deformables y unidimensionales) (30). Esta limitación impide el cálculo de tensiones sobre estos tejidos, lo cual resulta fundamental para comprender tanto las causas del pie plano adquirido en adultos, como las consecuencias o efectos secundarios sobre los tejidos circundantes de los distintos procedimientos quirúrgicos tradicionalmente usados en la clínica (31).
Algunos autores han abordado el análisis biomecánico por elementos finitos de algunas cirugías usadas para la corrección del pie plano, como las osteotomías de calcáneo. Estos modelos nuevamente obvian la inclusión de todas estructuras estabilizadoras del arco longitudinal plantar estáticas y dinámicas, y las que se incluyen, se consideran nuevamente como elementos barra, con lo cual no es posible identificar las diferencias de tensión generada por el procedimiento estudiado (23).
El estudio de las tensiones biomecánicas que se generan tanto en los tejidos blandos como el tejido óseo en el pie, son un aspecto fundamental para comprender tanto el efecto de la patología como de los procedimientos quirúrgicos usados para corregir la deformación. Aumentos en la tensión de los tejidos a causa de la patología o el propio procedimiento puede generar el fracaso del tratamiento o el desarrollo otros trastornos del pie (31). En la literatura clínica, por ejemplo, se han reportado casos de dolor y metatarsalgias en pacientes a quienes se les ha realizado una triple artrodesis (bloqueo de las articulaciones del retropié) (19). Este hecho, es causado por la dificultad de medir este tipo de variables biomecánicas sobre el tejido in vivo y la imposibilidad de incluir variables de prueba repetitivos sobre los modelos cadavéricos (1,5).
En vista de las dificultades y limitaciones de los modelos actualmente usados para analizar el desarrollo del pie plano adquirido en adultos y las estrategias clínicas empleadas en su tratamiento, sumando al desconocimiento actual del efecto tensional de las técnicas quirúrgicas usadas, esta tesis presenta como objetivo general lo siguiente:
• Evaluar el efecto del pie plano adquirido en adultos (PPAA) sobre las estructuras anatómicas que mantienen el arco plantar y el efecto de los principales procedimientos quirúrgicos usados en el tratamiento de esta patología, mediante el diseño de un modelo de pie en elementos finitos.
Como objetivos particulares de este estudio, se propusieron los siguientes:
1. Diseñar un modelo de pie plano que considere las estructuras anatómicas implicadas en el desarrollo del PPAA a partir de un modelo de pie normal.
2. Evaluar la participación de cada una de las estructuras encargadas de mantener el arco plantar mediante simulaciones del modelo de pie plano en elementos finitos.
3. Valorar el impacto de los principales procedimientos quirúrgicos usados en el tratamiento del PPAA en fase II y III mediante simulaciones en elementos finitos.
4. Validar el modelo de PPAA y la simulación de las técnicas quirúrgicas usadas en el tratamiento de la patología.
Esta tesis toma como punto de partida el modelo de pie propuesto por Morales et al. (25), del grupo de investigación Applied Mechanics & Bioengineering (AMB) de la Universidad de Zaragoza. Sin embargo, el modelo desarrollado en esta tesis incluye variaciones al modelo base y adiciona la geometría de los tejidos estabilizadores estáticos y dinámicos del arco longitudinal plantar, lo cual es fundamental para estudiar el desarrollo del pie plano adquirido en adultos. Para ello, fue empleado el Software NX I-DEAS v.5 e ICEM CFD de Ansys v. 15. Las simulaciones por elementos finitos y el postprocesado de resultados se empleó el software ABAQUS v 6.14.
1.3 DESCRIPCIÓN DEL DOCUMENTO DE TESIS
Este documento de tesis consta de 7 capítulos. Cada capítulo aporta los temas necesarios para comprender y mostrar el cumplimiento del objetivo principal de la Tesis, enfocando la discusión de cada uno hacia la valoración biomecánica de la patología y los efectos tanto del desarrollo de la enfermedad como de los tratamientos que tradicionalmente se usan en la corrección de la deformación del arco plantar.
Específicamente el trabajo se estructura como sigue:
Capítulo 1: Introducción:
Este capítulo, del cual hace parte la presente sección, tiene como objetivo fundamental mostrar una visión global del entorno de la tesis, la motivación clínica que llevaron a su realización, así como un corto resumen de la metodología empleada para su desarrollo y una corta explicación de las pruebas y procedimientos analizados. Finalmente, se presentan los objetivos que se buscaron alcanzar con esta tesis y la estructura del documento.
Capítulo 2: Pie plano adquirido en adultos: anatomía y clínica:
Este capítulo está enfocado en mostrar las características anatómicas del pie humano. Es necesario, para facilitar el seguimiento de los objetivos de esta tesis, estudiar las estructuras anatómicas y los tejidos que mantienen el pie y el arco plantar. La deformación y alteraciones generadas por el pie plano adquirido en adultos impactan sobre varias regiones anatómicas del pie, cuya descripción detallada se incluye en esta sección. Adicionalmente, se presenta un resumen de algunas de las técnicas quirúrgicas más comunes usadas en el tratamiento de esta patología y el estado del arte relacionado con este tema.
Capítulo 3: Modelado del pie humano: antecedentes y estado del arte:
En esta sección del documento, se presenta una revisión exhaustiva de los modelos usados actualmente para el estudio biomecánico del pie humano en términos generales. Además, se realiza una búsqueda específica de los modelos y representaciones usadas para estudiar el desarrollo del pie plano adquirido en adultos. Se hace un análisis crítico de los distintos enfoques propuestos, haciendo énfasis en los retos que generan estos desarrollos, las limitaciones que aún persisten, las bondades y debilidades de las propuestas actuales en el campo de la simulación computacional del pie y su aplicabilidad en el estudio de esta patología.
Capítulo 4: Modelo por EF para el estudio del desarrollo del pie plano adquirido en adultos:
El desarrollo del modelo por elementos finitos que nos permitió evaluar el desarrollo del pie plano adquirido en adultos es presentado en esta sección. Se muestra los detalles de la adquisición y desarrollo de la geometría de los tejidos usados, el proceso y características del mallado, así como las características biomecánicas consideradas para cada uno de los tejidos del modelo de pie. Se muestra además el proceso de validación realizado sobre el modelo y los resultados de tensión generados en cada tejido ante diferentes condiciones de debilidad o ruptura de las estructuras estabilizadoras estáticas y dinámicas del arco plantar.
Capítulo 5: Modelo por EF para el estudio del efecto de la osteotomía medializante de calcáneo:
En este capítulo, de forma similar al anterior, se muestra el desarrollo del modelo usado para la evaluación del efecto de la osteotomía medializante de calcáneo sobre los tejidos encargados de soportar el arco plantar. Se muestra además una comparación de las tensiones generadas en el modelo del capítulo 4 con las generadas por este modelo, evidenciando así el efecto que tiene este procedimiento quirúrgico sobre las estructuras del pie.
Capítulo 6: Estudio de las artrodesis del retropié usadas para el tratamiento del pie plano adquirido en adultos:
Los principales resultados de esta tesis se muestran en este capítulo. Aquí se detallan las pruebas realizadas y los resultados de tensión generados en cada una de las artrodesis usadas tradicionalmente en el tratamiento del pie plano adquirido en adultos, analizado en cada caso el efecto sobre los tejidos estabilizadores del arco plantar. Se hace una comparación entre el efecto de la artrodesis Astrágalo-Calcánea, Astrágalo-escafoidea, Calcáneo-Cuboidea y la Triple artrodesis. Adicionalmente, se hace un análisis de la combinación de la osteotomía medializante de calcáneo con la artrodesis astrágalo escafoidea, procedimiento propuesto por el médico especialista que asesora esta tesis. Finalmente, se presenta una extensa discusión sobre los resultados obtenidos.
Capítulo 7: Conclusiones generales y trabajos futuros:
Este capítulo final, recoge las principales conclusiones de la tesis, divididas por área de conocimiento. Adicionalmente, se presenta un corto resumen de las contribuciones originales de esta investigación y las líneas futuras de investigación que quedan abiertas tras los resultados obtenidos en este proyecto.
Resumen (otro idioma):
Pal. clave: biomecanica ; analisis numerico ; computacion digital ; traumatologia
Titulación: Programa de Doctorado en Ingeniería Biomédica
Plan(es): Plan 510
Departamento: Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A)
Nota: Presentado: 23 01 2019
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A), 2019
Enlace permanente:
Registro creado el 2019-04-25, última modificación el 2021-05-20
