Estimación del coste metabólico de la marcha humana mediante modelos experimentales y numéricos

Resumen

El presente estudio tiene como objetivo la cuantificación y correlación del coste metabólico durante la marcha humana mediante una metodología combinada de análisis experimental y simulación computacional. El interés principal radica en estimar el coste metabólico de forma complementaria a la medida del espirómetro para personalizar modelos musculoesqueléticos de sujetos con marcha patológica para optimizar la actuación de un dispositivo activo de asistencia a la marcha. Para ello, se empleó un tapiz rodante en un entorno controlado de laboratorio en el que los sujetos caminaron equipados con un ergoespirómetro Cosmed®, plataformas de fuerza y marcadores reflectantes para captura de movimiento mediante sistema OptiTrack®. La medición directa del coste metabólico se realizó utilizando el ergoespirómetro, a partir del cual se calculó el gasto energético mediante el modelo de Zuntz, que estima la producción metabólica en función del consumo de oxígeno (VO2) y la producción de dióxido de carbono (VCO2), proporcionando una medida precisa de la eficiencia energética en cada ciclo de marcha. Complementariamente, los datos cinemáticos del movimiento, obtenidos con el sistema de cámaras OptiTrack®, junto con las fuerzas de reacción del suelo registradas mediante dos plataformas de fuerza, en un ensayo independiente ya que no se dispone de un tapiz rodante instrumentado, fueron integrados en el programa de simulación biomecánica OpenSim. Este software generó estimaciones de coste metabólico, empleando el modelo de Umberger, basadas en el análisis dinámico inverso de modelos musculoesqueléticos, proporcionando así un valor comparativo respecto al gasto energético experimental obtenido. Este enfoque permitió analizar la relación entre los valores metabólicos directos y las estimaciones de OpenSim, con el objetivo de evaluar la precisión y fiabilidad de las simulaciones computacionales para la estimación del gasto energético durante la marcha normal y patológica y estudiar cómo afecta la personalización de los parámetros de los modelos musculares al coste metabólico estimado en marcha patológica, identificando los músculos y parámetros más sensibles. Los resultados de esta correlación contribuirán a validar el uso de OpenSim como herramienta predictiva en aplicaciones clínicas y de rehabilitación con marcha patológica, donde la evaluación precisa del coste metabólico es esencial tanto para identificar los músculos que más afectan al patrón de marcha y al coste metabólico de la marcha patológica como para optimizar intervenciones y diseño de dispositivos de asistencia para pacientes con alteraciones en la marcha o en el control motor.