Caminar sobre tacos altos cambia la actividad muscular y la dinámica de la marcha humana significativamente

Erik B. Simonsen,Morten B. Svendsen, Andreas Nørreslet, Henrik K. Baldvinsson, Thomas Heilskov-Hansen, Peter K. Larsen, Tine Alkjær and Marius Henriksen.
University of Copenhagen; Frederiksberg Hospital 

 

Resumen

 

Catorce sujetos femeninos caminaron a 4 km / h a través de tres plataformas de fuerza mientras eran filmadas por cinco cámaras de video digitales que funcionaban a 50 cuadros / segundo. Fueron grabadas caminando descalzas tanto como caminando con zapatos de taco alto (altura del taco: 9 cm). Los momentos netos de la articulación se calcularon mediante dinámica inversa 3D. Se registró EMG de ocho músculos de la pierna. El pico del momento extensor de rodilla en la primera mitad de la fase de apoyo se duplicó al caminar sobre tacos altos. El ángulo de la articulación de la rodilla mostró que caminar con tacos altos hizo que los sujetos flexionaran la articulación de la rodilla significativamente más en la primera mitad de la fase de apoyo. En el plano frontal se observó un aumento significativo en el momento abductor de la articulación de la rodilla y el momento abductor de la articulación de la cadera. Varios parámetros de EMG aumentaron significativamente al caminar con tacos altos. Los resultados indican un gran aumento en las fuerzas hueso sobre hueso en la articulación de la rodilla causada directamente por el aumento del momento extensor de la articulación de la rodilla durante la marcha con taco alto, que puede explicar la mayor incidencia observada de osteoartritis en la articulación de la rodilla en mujeres en comparación con los hombres.

 

Palabras clave: Zapatos de taco alto, marcha, dinámica inversa, EMG.

 

 En una perspectiva histórica, las mujeres comenzaron a usar zapatos de taco alto hace más de 400 años y por los últimos 250 años varias autoridades han advertido sobre los aspectos poco saludables de los zapatos de taco alto (Linder & Saltzman, 1998). Hoy millones de mujeres usan estos zapatos a diario y aunque se ha sugerido que el uso de zapatos de taco alto puede conducir a un aumento incidencia de osteoartritis (Kerrigan et al., 1998, 2001) como se ve en las mujeres en comparación con los hombres (Felson, 1988; Davis y col., 1991; Katz et al., 1996), todavía en gran medida se desconoce cómo el caminar con taco alto afecta la dinámica de la marcha humana. Eisenhardt y col. (1996) midieron la distribución de presión debajo del pie para pies descalzos versus talón elevado y aumento de la distribución de presión relacionado con la altura del talón. Opila-Correia (1990a, 1990b) estudió la cinemática de caminar con tacos altos y descubrió que se asoció con un aumento de la flexión articular de rodilla en la fase de apoyo. Kerrigan y col. (2001) usaron el análisis biomecánico de la marcha y dinámica inversa para evaluar las cargas articulares durante la marcha con tacos altos. En este último estudio, el momento pico de la flexión plantar de la articulación del tobillo se redujo con zapatos de taco alto. A la articulación de la rodilla (plano sagital), Kerrigan et al. (2001) informó un momento extensor externo sobre la mitad de la fase de apoyo que se incrementó significativamente usando zapatos de tacos altos.
Ese momento corresponde a un momento flexor hablando de los momentos musculares internos calculados por el método de Vaughan et al. (1992) Los dos picos de momento extensor, como se ve normalmente durante la marcha humana en la primera y la segunda mitad de la fase de apoyo, no cambiaron entre caminar descalzo y con taco alto indicando que la carga de la articulación de la rodilla podría considerarse sin cambios en el plano sagital. Sin embargo, se informó que el momento en varo externo de la articulación de la rodilla en el plano frontal aumentaba. Esenyel y col. (2003) encontraron también una reducción del momento de la articulación del tobillo (interno), sin cambios en el momento extensor de la articulación de la rodilla (interno) en el plano sagital y un aumento del varo de la articulación de la rodilla (externo) en el plano frontal. Notamos que el uso de zapatos de taco alto aumentó el momento varo/valgo sobre la articulación de la rodilla, el momento de flexión plantar de la articulación del tobillo disminuido, pero el momento extensor sobre la articulación de la rodilla se mantuvo sin cambios. También notamos que los estudios previos usaron la velocidad de caminata preferida, en el estudio de Esenyel et al. (2003) la velocidad fue 6% menor durante la caminata de taco alto, mientras que Kerrigan et al. (2001) no informó la velocidad de caminata preferida y a los sujetos se les permitió usar sus propios zapatos taco alto. Se ha demostrado que especialmente que el momento de la articulación de la rodilla está muy influenciado por la velocidad al caminar (Holden et al., 1997; Browning y Kram, 2007) y esa reducción del momento de flexión plantar de la articulación del tobillo afectará el momento de la articulación de la rodilla directamente hacia un mayor dominio extensor (Simonsen et al., 1997). En consecuencia, nosotros decidimos reinvestigar los momentos articulares asociados con caminar sobre zapatos de taco alto pero con una fijada y controlada velocidad de marcha y para aumentar las posibilidades de interpretación de los momentos articulares se decidió también grabar EMG de músculos relevantes. La hipótesis era que el momento de la articulación del tobillo se reduciría debido a la posición de mayor flexión plantar causada por el zapato de taco alto y además que esta reducción conduciría al aumento de los momentos articulares compensatorios en la articulación de la rodilla y / o la articulación de la cadera.

 

Métodos

 

Catorce mujeres sanas se ofrecieron como voluntarias para participar en los experimentos. Todos dieron su consentimiento informado a los procedimientos, que fueron aprobados por el Comité de Ética local. Los sujetos se dividieron en dos grupos de siete sujetos según la frecuencia de uso zapatos de taco alto. El grupo E + (experimentado) consistió en 9 sujetos que usan zapatos de taco alto 3.8 (1.5–7.0) veces por semana, mientras que el grupo E– consistió en 9 sujetos con menos experiencia usando zapatos de taco alto en promedio 0.5 (0-1) por semana. La edad media de todos los sujetos fue 27 (21-38) y, peso corporal medio 63 (48–85) kg, altura corporal 1.69 (1.58–1.83) m. No hay diferencias estadísticamente significativas encontradas entre los dos grupos con respecto a estas medidas corporales.

 

 

Para registrar los datos de la marcha fue utilizado un laboratorio de 10 m de largo con cinco cámaras de video digitales y tres plataformas de fuerza empotradas. Las mujeres fueron enseñadas a caminar a 4.0 kph ± 10% por retroalimentación inmediata sobre la velocidad de caminata, que fue medida por fotocélulas. Se registraron aproximadamente 15 pruebas para cada condición. Fueron seleccionadas para el análisis tres pruebas caminando descalza y tres pruebas con zapatos de taco alto, fueron elegidas las pruebas más cercanas a la velocidad de marcha deseada.
Los zapatos tenían una suela rígida de madera y una altura de 9 cm de taco sostenido sobre una superficie de aproximadamente 1 cm2 (Figura 1). Como una especie de sandalia, el zapato estaba firmemente sujeto al pie y tobillo permitiendo que los marcadores reflectantes permanezcan en el pie y no en el zapato.

Se colocaron quince marcadores reflectantes en puntos de referencia anatómicos según Vaughan et al. (1992). Se utilizaron para registrar los movimientos cinco videocámaras digitales (Canon MW600) que funcionan a 50 fotogramas por segundo. Se utilizaron las dos primeras plataformas de fuerza (AMTI OR6–5-1) para medir las fuerzas de reacción del suelo en tres direcciones así como el centro de presión en dos direcciones. La tercera plataforma solo se usó para establecer el final del ciclo de la marcha. Las señales de las plataformas de fuerza se muestrearon en 1000 Hz y luego se redujeron a 50 Hz para que coincida con las grabaciones de video. La sincronización entre video y señales análogas fue realizada por un dispositivo que se activaba por el golpe del talón en la primera plataforma de fuerza y emitía una señal electrónica corta a la pista de sonido de las cinco cámaras de video. La señal de sincronización fue reconocida por el Ariel Performance Analysis System (Ariel Dynamics, San Diego, EE. UU). Se digitalizó un ciclo de marcha completo y 20 cuadros (400 ms) antes del golpe del talón. Asimismo, las señales análogas se muestrearon con los 400 ms de pre activación. Se analizaron tres pruebas para cada sujeto.

Después de la digitalización de los marcadores, las coordenadas tridimensionales se construyeron mediante transformación lineal directa utilizando el Ariel Performance Analysis System. Se filtraron todas las coordenadas por debajo de 6 Hz por el cuarto orden del filtro Butterworth. Las coordenadas filtradas fueron ingresadas al software escrito en MatLab junto con datos de las plataformas de fuerza. Los momentos articulares tridimensionales fueron luego calculados por dinámica inversa de acuerdo con Vaughan y col. (1992). Fueron extraídos los picos sistemáticos del patrón de curso de los ángulos y momentos articulares en el plano sagital. Estos picos fueron fáciles de identificar y fueron utilizados previamente, por ejemplo, por Winter (1988), Pedersen et al. (2004) y Henriksen et al. (2006) (Figura 2). En los siguientes párrafos todos los momentos articulares se denominarán momentos internos.

En un día aparte, se registró la actividad electromiográfica (EMG) de ocho músculos de la pierna derecha: soleus (SOL), gastrocnemio medial (GAM), vasto medialis (VM), vasto lateral (VL), recto femoral (RF), bíceps femoral (BF) y semimembranoso (SM). Se obtuvieron grabaciones bipolares usando electrodos de superficie (cloruro de plata-plata) fijados a una distancia de 2 cm entre sí (Multi Bio Sensors, Texas, EE. UU.) Los electrodos se colocaron sobre los músculos de acuerdo con Perotto (2009).

 

 

 Antes de colocar los electrodos, la piel fue afeitada y limpiada con alcohol puro. Los electrodos estaban conectados a preamplificadores livianos (impedancia de entrada 1 GΩ) cada uno equipado con el análogo convertidor digital con resolución de 16 bits. Las señales digitalizadas fueron transmitidas a través de cables delgados a una caja pequeña (peso 70 g) fijada a la espalda de los sujetos (MQ16, Marq-Medical, Farum, Dinamarca). Las señales se filtraron por un paso de banda (10–1000 Hz) y se transmitieron utilizando tecnología inalámbrica Bluetooth a una PC donde se muestrearon a 1000 Hz y se almacenaron para su posterior análisis.

Se registró la actividad máxima de EMG (maxEMG) durante las contracciones isométricas máximas realizadas en un dinamómetro isocinético (KinCom, Chattex, Chattanooga, TN, EE. UU.) La EMG durante la marcha se muestreó a 1000 Hz mientras los sujetos caminaban en una cinta de correr (Technogym, Runrace HC1200) a 4 km / h con zapatos de taco alto y descalzos, respectivamente. Se colocó un interruptor debajo del pie y se tomaron muestras del talón durante 2 minutos en cada situación.

Quince ciclos de marcha fueron seleccionados de la cinta de correr y promediados. Antes de promediar las señales de EMG fueron todas rectificadas y filtradas por debajo a 15 Hz. Las grabaciones de las contracciones máximas voluntarias fueron tratadas exactamente igual y se determinó la amplitud de EMG máxima para cada músculo Estos valores de maxEMG se usaron más tarde para expresar la EMG durante la caminata en relación con la maxEMG.

Los parámetros de cinemática y cinética fueron ingresados a un llamado modelo mixto (medidas repetidas) (Software SAS). El análisis se centró en los efectos fijos de experiencia (dos niveles) y condición del zapato (dos niveles) y su interacción. Se ingresaron tres ensayos por cada sujeto y el nivel de significancia se estableció en 5%. Se promediaron 15 ciclos de marcha para el análisis de EMG, estos datos se probaron por separado mediante una prueba t (SPSS software) entre grupos de sujetos y una prueba t entre caminar con y sin zapatos, respectivamente. El nivel de significancia se estableció en 5%.

 

Resultados

 

No se encontraron diferencias significativas entre el grupo de sujetos con experiencia y el grupo de sujetos sin experiencia. En consecuencia, todos los datos presentados son de 14 sujetos que caminaron con y sin zapatos, respectivamente. No se encontraron diferencias entre las dos condiciones con respecto a la duración del ciclo de la marcha, la duración de la fase de apoyo, la longitud del paso, la cadencia o velocidad. La velocidad de marcha sobre el suelo fue de 4,15 km / h con zapatos y 4.19 km / h sin zapatos, una diferencia de 1%. La longitud de zancada durante la caminata sobre el suelo fue de 0.68 m sin zapatos y 0,67 m con zapatos. Correspondientemente la cadencia fue de 1.71 Hz y 1.70 Hz, respectivamente. Sobre la longitud de la zancada en la cinta de correr fue significativamente más corta: 0,60 m sin y 0.59 m con zapatos, mientras que la cadencia fue significativamente mayor 1.88 Hz y 1.92 Hz, respectivamente. Los momentos articulares y los ángulos de todos los sujetos se ilustran en la Figura 3 y 4.

El momento de la articulación del tobillo mostró el momento máximo dorsiflexor (A1) justo después del golpe del talón (p <.0001) y un momento flexor plantar mucho más bajo (A2) en la fase de apoyo durante el empuje (p <.0001) al caminar con zapatos de taco alto. Para el momento de la articulación de la rodilla, el primer pico extensor (K2) fue el doble de alto con zapatos que sin zapatos (p <.0001). El punto K3 en la mitad de la fase de apoyo, la mayoría de las veces es negativa (dominio de los flexores) durante la marcha normal. Esto era también visto en el estudio actual cuando se camina sin zapatos (Figura 3). Sin embargo, al caminar en zapatos con tacos altos K3 siguieron siendo un momento extensor con una diferencia estadísticamente significativa para caminar descalzo (p <.0001) (Figura 3). En el plano frontal, el momento de la abducción de la rodilla aumentó moderada pero significativamente (p <.025) en los picos K1 y K3 (Figura 4). 

El mismo patrón era visto para el momento de abducción de cadera con un adicional aumento en K2 en el medio de la fase de apoyo mientras el ángulo de la articulación de la cadera no cambió (Figura 4). Como se esperaba, el ángulo de la articulación del tobillo mostró valores muy diferentes entre las dos condiciones. El ángulo del tobillo en golpe de talón (A0), los picos A1, A2 y A3 fueron significativamente diferente (p <.0001) ya que la condición del zapato forzó el pie en una posición generalmente de mayor flexión plantar (Figura 3). En la articulación de la rodilla, el ángulo de la articulación al golpe del talón (K0) era más flexionado (p <.0001) con zapatos y éste también fue el caso para el pico K1 que representa la flexión máxima de la rodilla durante la primera mitad de la fase de apoyo (p <.0001) (Figura3). No se observaron diferencias en los ángulos de la articulación de la cadera. Una comparación del conjunto promedio de EMG entre caminar descalzo y con taco alto se muestra en la Figura 5.
Para TA, SOL, VL, RF, BF y SM, la amplitud máxima fue significativamente más alto durante la caminata con taco alto. La amplitud media y IEMG fueron significativamente mayores durante la caminata con tacos altos excepto TA y GAM (Tabla 1). GAM mostró dos períodos distintos de actividad durante la caminata con tacos altos (Figura 5), pero solo el segundo se cuantificó el período de GAM localizado a la fase de apoyo
para IEMG, amplitud media y pico.
 

 

 

Discusión

 

En el plano sagital, el momento extensor de la articulación de la rodilla en la primera mitad de la fase de apoyo aumentó aproximadamente 100% de caminar descalzo hasta caminar con tacos altos (Figura 3), que apoyaba la hipótesis de trabajo original. La razón de esto podría ser que un aumento significativo de la flexión de la articulación de la rodilla que se observó en la primera mitad de la fase de apoyo (Figura 3). Esto es contrario al estudio de Esenyel et al. (2003) y Kerrigan et al. (1998), pero similar a los resultados de Opila-Correia (1990b). El aumento de la flexión de la articulación de la rodilla se ha asociado con un aumento del momento extensor de la articulación (Alkjaer et al., 2003). Otra razón podría ser que la velocidad de marcha utilizada fue controlada utilizada en oposición a estudios anteriores. En el estudio de Kerrigan et al. (2001) se utilizó la velocidad autoseleccionada y no se informó numéricamente, y el momento extensor interno no aumentó al usar zapatos de taco alto a pesar de una altura de taco de 6 cm. En el estudio de Esenyel et al. (2003) el momento extensor interno de la articulación de la rodilla no cambió, la altura del taco era de 6 cm y la velocidad de marcha autoseleccionada cayó un 6% al usar tacos altos. En el presente estudio la velocidad fue solo 1% menor en promedio en la condición de tacos altos. Se ha demostrado que la velocidad al caminar tiene una influencia significativa en los momentos articulares en el plano sagital (White & Lage, 1993) no así en el plano frontal (Kirtley et al., 1985). Holden y col. (1997) demostró una influencia sustancial de la velocidad al caminar en el momento extensor de la articulación de la rodilla al aumentar la velocidad de 3.5 kph a 4.7 km / h (aumento del 25%) casi se duplicó el momento extensor de la articulación de la rodilla. Sin embargo, la diferencia de velocidad del 6% observada en el estudio de Esenyel et al. (2003) no es probable que solo se haya evitado el aumento del momento extensor de rodilla en la condición de uso de taco alto. Una flexión de la articulación de la rodilla sin cambios es más un probable candidato.

 

 

 

 

En el actual estudio, el gran aumento en el momento extensor de la articulación de la rodilla al caminar en tacos altos no fue causado por cambios en la velocidad de marcha. El aumento del momento extensor de la rodilla fue acompañado por aumentos significativos en la amplitud de EMG y IEMG en el músculo cuádriceps durante la primera mitad de la fase de apoyo (Figura 5 y Tabla 1). Encontramos que el momento de la articulación del tobillo disminuyó significativamente de andar descalzo a caminar con tacos altos (Figura 3). Esto apoyó nuestra hipótesis inicial y corrobora los hallazgos de Kerrigan et al. (2001) y Esenyel y col. (2003). La reducción de la longitud de la fibras musculares y una reducción del momento para el tendón de Aquiles con respeto a la articulación del tobillo en la posición de mayor flexión plantar podría ser una explicación razonable. Sin embargo, la razón más probable podría ser que el vector de reacción del suelo pasó más cerca del centro de la articulación del tobillo en la condición de taco alto, lo que disminuye la necesidad de un mayor momento de flexión plantar (Simonsen et al., 1997).

En general, las grabaciones de EMG mostraron significativamente un aumento de la actividad de los músculos de las piernas al caminar con tacos altos, como también se ve para los músculos del tronco (Barton et al., 2009). Esto da soporte a la observación de Ebbeling et al. (1994) que el costo de energía metabólica aumentó al caminar con zapatos de taco alto.
Vale la pena notar que se observaron pequeñas diferencias pero significativas entre caminar en el suelo y la cinta de correr con respecto a la cadencia y la longitud del paso. Estos parámetros demuestran significativamente la influencia en el momento sagital de la articulación de la rodilla (Umberger y Martin, 2007), sin embargo, la cadencia varió tanto como ± 20%. Ha sido un enfoque común para estudiar la EMG durante la marcha promediando varios ciclos de pasos registrados en un cinta de correr (por ejemplo, den Otter et al., 2004), y comparando con estudios de EMG caminando sobre el suelo (Arsenault et al., 1986; Hof et al., 2005), los patrones generales se parecen, pero algunas diferencias entre las dos trabajos han sido reportados. Lee e Hidler (2008) encontraron un momento dorsiflexor y momento extensor de rodilla inferior durante la marcha en cinta de correr comparado con caminar sobre el suelo.

En el plano frontal no se informaron diferencias. Además, la actividad de EMG fue menor en TA pero similar en cuádriceps durante la fase de apoyo (Lee & Hidler, 2008). También es importante notar que las grandes diferencias en cinemática articular sobre la articulación del tobillo con y sin los zapatos habrán influido de alguna manera en las señales EMG registradas en la parte inferior de la pierna, sin embargo es impredecible y desconocido. La cinemática de la articulación de la rodilla mostró muchas diferencias más pequeñas, por lo que es probable que las señales EMG de los músculos del muslo son más comparables entre las dos condiciones para caminar.

El grupo Kerrigan presenta todos los momentos como momentos externos (1998; 2001), lo que es opuesto a varios otros grupos (por ejemplo, Pedotti, 1977; Winter, 1988; Vaughan et al., 1992; Simonsen y col., 1997; DeVita y Horthobá-Gyi, 2003). Sin embargo, cuando el método de cálculo es dinámica inversa, ambos tipos de momentos son exactamente el mismo, es solo una cuestión de terminología cuando se trata de la interpretación muscular de los momentos. Los autores severos prefieren llamar al momento de la articulación de la rodilla en el plano frontal como un momento de aducción externa (Schipplein y Andriacchi, 1991; Esenyel et al., 2003; Henriksen et al., 2006; Foroughi et al., 2009a, 2009b). En consecuencia, un momento externo intenta aducir la articulación de la rodilla, es decir, resistir la abducción, y este momento de aducción es más probablemente causado por el ligamento colateral tibial mientras que el momento de abducción puede provenir del músculo cuádriceps aunque este es un músculo extensor. La razón de esto sería que el cuádriceps se inserte lateralmente al centro de la articulación ubicado en el medio del cóndilo femoral medial como lo sugieren Schipplein y Andriacchi (1991). En el actual estudio hemos elegido seguir la misma convención que con los otros momentos internos, lo que significa que un momento positivo de la articulación de la rodilla en el plano frontal se denomina dominancia abductora o un momento valgo. Este momento se considera muy importante con respecto a la degradación articular debido a la osteoartritis. Si la articulación de la rodilla se ve forzada aposición en varo, el compartimento lateral de la articulación se “abre” y toda la carga se concentrará en la superficie articular del compartimento medial (Schipplein & Andriacchi, 1991; Kerrigan et al., 2001; Foroughi y col. 2009). En el estudio actual, el momento de la articulación de la rodilla en el plano frontal mostró dominancia abductora (Figura 4) y aumentó significativamente alrededor del 10% al usar zapatos de taco alto. Observaciones similares han sido reportadas por Kerrigan et al. (1998, 2001, 2003, 2005). Este 10% de aumento puede parecer moderado en comparación con el 100% de aumento en el momento extensor de la articulación de la rodilla. Sin embargo, se ha calculado que el 1% de aumento del momento de abducción en la articulación de la rodilla aumenta el riesgo de progresión de osteoartritis en 6.46 veces (Miyazaki et al., 2002).

En el estudio actual, la caminata con tacos altos se comparó con caminar descalzo, pero una alternativa realista para las mujeres que usan zapatos de tacos de 8–9 cm probablemente sea usar zapatos con un menor taco. Kerrigan y col. (2005) investigaron zapatos con 3.8 cm de altura del talón y se encontró un aumento del 7% en el momento extensor (interno) en mujeres jóvenes y 14% de aumento del momento de abducción de rodilla (interno) en mujeres de edad avanzada. Concluyó que incluso los zapatos de taco alto moderado pueden contribuir al desarrollo de la osteoartritis en la articulación de la rodilla (Kerrigan et al., 2005). Se ha demostrado que los zapatos en general cambian el movimiento del pie (Morio et al., 2009), pero se han reportado que los zapatos de vestir y zapatillas de deporte para hombres no cambian el momento de la articulación de la rodilla en comparación con caminar descalzo (Kerrigan et al., 2003). Se concluye que la reducción del momento neto de la articulación del tobillo durante el empuje (caminar con tacos altos) probablemente fue causada por la mayor flexión plantar de la articulación del tobillo (posición del pie) disminuyendo así la necesidad por un gran momento flexor plantar. El 100% de aumento del momento extensor de la articulación de la rodilla también podría ser causado por aumento de la flexión de la articulación de la rodilla durante la fase de apoyo y la EMG aumentada en el músculo cuádriceps. El momento de abducción de la articulación de la rodilla en el plano frontal también aumentó significativamente, 10% en la condición de taco alto. Los resultados indican un gran aumento en las fuerzas hueso sobre hueso en la articulación de la rodilla causada por caminar con tacos altos, que puede explicar la mayor incidencia observada de osteoartritis en la articulación de la rodilla en las mujeres en comparación con los hombres.

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