Biomecánica de la columna vertebral y cuello

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Biomecánica de la columna Biomecánica de la columna 
vertebral y el cuellovertebral y el cuello
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vertebral y el cuellovertebral y el cuello
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Columna vertebral y cuello. Anatomía Básica
La columna vertebral
• 33 Vértebras situadas en 5 segmentos:
• 7 Cervicales (C1-C7)
• 12 Torácicas (T1 a T12)
• 5 Lumbares (L1 a L5)
• 5 Sacras (soldadas)
• 4 en el Cóccix
• Funciones
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• Funciones
• Estructural
• Movilidad
• Protección del Sistema Nervioso 
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Columna vertebral y cuello. Anatomía Básica
La columna vertebral. Protección del sistema nervioso
• Las vértebras forman un canal por el que corre la médula espinal. 
De ella salen los nervios espinales por los que se transmiten las 
señales nerviosas al resto del cuerpo
• Alteraciones en los conductos pueden producir daños o 
pinzamientos en el sistema nervioso.
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Columna vertebral y cuello. Anatomía Básica
La columna vertebral. Estructura y movilidad
• Las vértebras están unidas entre sí:
• Discos intervertebrales : Amortiguan la presión entre 
vértebras durante el movimiento
• Núcleo pulposo: Puede desplazarse, pero no 
comprimirse.
• Anillo Fibroso: Contiene al núcleo pulposo. 
• Ligamentos
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• Ligamentos
• Músculos
• Movimientos de la columna:
• Rotación principal entre C1 (atlas) y C2 (axis)
• En el resto de la columna Flexión, Extensión, 
Lateralidad y Rotación, como suma de 
pequeños movimientos intervertebrales
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Columna vertebral y cuello. Anatomía Básica
La columna vertebral. Vértebras cervicales
C1 (Atlas)
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C2 (Axis)
C3–C7
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Columna vertebral y cuello. Anatomía Básica
El cuello. Estructura muscular y aparato digestivo
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Columna vertebral y cuello. Anatomía Básica
El cuello. Estructura circulatoria y aparato digestivo
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Columna vertebral y cuello. Lesiones
Código AISCódigo AIS LesionesLesiones
1 Menores - Contusión, abrasión o laceración leve de piel o músculo
2 Moderadas - Laceración menor de arterias vertebrales
- Dislocación sin fractura de vértebras torácicas o 
cervicales
3 Serias - Laceración mayor de arterias vertebrales
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3 Serias - Laceración mayor de arterias vertebrales
- Laceración múltiple de raíces nerviosas en regiones 
cervical o torácica
4 Severas - Contusión incompleta de la médula espinal en regiones 
cervical o torácica
5 Críticas - Laceración de la médula espinal en regiones cervical o 
torácica sin fractura
6 Máximas - Decapitación
- Laceración de la médula espinal a nivel C3 o superior 
con fractura
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Columna vertebral y cuello. Mecanismos de daño
Movimientos y formas de carga del cuello
Monofásicos
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Tracción / 
Compresión
Flexión Extensión
Retracción o 
“forma de S”: 
Flexión en zona 
superior y 
extensión en 
zona inferior
Torsión Flexión lateral
Protracción o “S 
inversa”: Extensión 
en zona superior y 
flexión en zona 
inferior
Bifásicos
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Columna vertebral y cuello. Mecanismos de daño
Mecanismos de Carga y lesiones asociadas
• Los daños en la parte superior del segmento cervical son los considerados como más serios y con 
mayor probabilidad de causar muerte
• Relacionado a menudo con impactos de ocupantes sin cinturón de seguridad contra elementos del 
vehículo (ej. Parabrisas)
Fractura del ahorcado (Hangman)
• Localizada en C2
Fractura de Jefferson
• Fractura de C1 en cuatro segmentos
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• Relacionada con combinación de 
compresión axial y extensión
• Relacionada con carga de compresión
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Columna vertebral y cuello. Mecanismos de daño
Mecanismos de Carga y lesiones asociadas. Lesiones con contacto
CompresiónCompresión--FlexiónFlexión Compresión-Extensión
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Extensión-Flexión Flexión Lateral
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Columna vertebral y cuello. Mecanismos de daño
Mecanismos de Carga y lesiones asociadas. Lesiones sin contacto
• Hyperflexión en impacto frontal por 
acción del sistema de retención
• El tórax es frenado por el sistema de 
retención y la deleceración se transmite 
a la cabeza a través del cuello, 
produciendo un movimiento de flexión
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produciendo un movimiento de flexión
• Puede asociarse a dislocaciones 
bilaterales de las facetas cervicales
• Esguince cervical en impacto trasero
• Es la lesión más frecuente en 
accidentes de automoción
• Merece un tratamiento a parte
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Columna vertebral y cuello. Latigazo Cervical (Whi plash)
• Frecuente en impactos traseros de baja velocidad (δV 8 a 16 Km/h)
• Lesiones consideradas como leves (AIS 1), pero produciendo discapacidad de media y 
larga duración (dolores de cuello y cabeza, mareos, etc.)
• No hay acuerdo total sobre el origen biológico de las lesiones (inflamación de discos 
intervertebrales, daños neuronales,…). A menudo no pueden ser detectadas por métodos 
convencionales. 
• Mecanismos más probables:
SSSS----ShapeShapeShapeShape (“S”)(“S”)(“S”)(“S”) ExtensiónExtensiónExtensiónExtensión ReboteReboteReboteReboteSSSS----ShapeShapeShapeShape (“S”)(“S”)(“S”)(“S”) ExtensiónExtensiónExtensiónExtensión ReboteReboteReboteRebote
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SSSS----ShapeShapeShapeShape (“S”)(“S”)(“S”)(“S”)
- MovimientoMovimientoMovimientoMovimiento intervertebralintervertebralintervertebralintervertebral
- GradienteGradienteGradienteGradiente de de de de presiónpresiónpresiónpresión
ExtensiónExtensiónExtensiónExtensión
---- HiperextensiónHiperextensiónHiperextensiónHiperextensión
ReboteReboteReboteRebote
---- HiperflexiónHiperflexiónHiperflexiónHiperflexión
SSSS----ShapeShapeShapeShape (“S”)(“S”)(“S”)(“S”)
- MovimientoMovimientoMovimientoMovimiento intervertebralintervertebralintervertebralintervertebral
- GradienteGradienteGradienteGradiente de de de de presiónpresiónpresiónpresión
ExtensiónExtensiónExtensiónExtensión
---- HiperextensiónHiperextensiónHiperextensiónHiperextensión
ReboteReboteReboteRebote
---- HiperflexiónHiperflexiónHiperflexiónHiperflexión
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Columna vertebral. Otras Lesiones
Lesiones en el resto de la columna (torácica, lumbar y pélvica)
• Menos relevantes que las lesiones cervicales
• Posibles causas:
• Fracturas en vértebras torácico-lumbares por compresión y flexión 
combinadas en impactos frontales severos, por enderezamiento de la 
curvatura de la espina debido al cinturón de seguridad.
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• Posibles efectos por parte ventral del cinturón de seguridad mal 
posicionado (deslizamiento sobre cresta iliaca): Separación de 
elementos posteriores de la espina por hiperflexión (ej: rotura de 
ligamentos longitudinales y supraespinales) 
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Columna vertebral y cuello. Tolerancia mecánica
Numerosos 
estudios:
-Cadáveres
- Sin actividad muscular
- Permiten disección 
posterior
- Permiten mayor 
severidad de impacto
-Segmentos 
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- Sin actividad muscular
- Permiten estudio de 
límites mecánicos de 
tejidos
- Permiten modos de 
carga específicos
-Voluntarios
- Con actividad 
muscular
- No permiten disección 
posterior
- Severidad de impacto 
limitada
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Columna vertebral y cuello. Representación mecánica
Dummies de impacto frontal: Hybrid III
• Cuello y espina lumbar 
flexibles
• Espina torácica rígida
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Columna vertebral y cuello. Representación mecánica
Dummies de impacto frontal: Hybrid III. Cuello
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Columna vertebral y cuello. Representación mecánica
Dummies de impacto frontal: Hybrid III. Espina Torácica
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Columna vertebral y cuello. Representación mecánica
Dummies de impacto frontal: Hybrid III. Espina Lumbar
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Columna vertebral y cuello. Representación mecánica
Dummies de impacto lateral: EuroSID-II
• Cuello y espina lumbar 
flexibles
• Espina torácica rígida
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Universidad de ValladolidColumna vertebral y cuello. Representación mecánica
Dummies de impacto trasero: BioRID-II (Esquema constructivo)
• Actualmente es el dummy más utilizado para la evaluación de whiplash
• Columna vertebral completa articulada
• Sólo reproduce movimientos bidimensionales (plano X-Z)
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Columna vertebral y cuello. Representación mecánica
Dummies de impacto trasero: BioRID-II (Instrumentación)
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Columna vertebral y cuello. Representación mecánica
Dummies de impacto trasero: RID3D
• Uso más reducido que el BioRID-II
• Desarrollado a partir del dummy 
RID2
• Zona torácica más rígida que el 
BioRID-II. Dos únicos segmentos 
unidos por un elemento flexible.
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• El cuello está preparado para 
reproducir movimientos 
tridimensionales X-Y-Z
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Columna vertebral y cuello. Criterios Biomecánicos
Criterios de uso general Específicos para Whiplash
Basados en aceleraciones • NIC
Basados en Cargas • Nij • Nkm
• Criterios:
• De uso general: Para todo tipo de impactos, basados en lesiones AIS≥2
• Específicos para Whiplash: Para impacto trasero, buscando lesiones AIS 1
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Basados en Cargas • Nij
• MyOC 
• Fx Fz
• Nkm
• LNL
Basados en 
desplazamientos y 
velocidades
• NDC
• IV-NIC (sólo biológico)
• Velocidad de rebote
• A parte de éstos, existen una serie de métodos de evaluación de whiplash 
basados en la comparación entre asientos en ensayos establecidos (Fx vs Fz en 
procedimiento IWPG-IIHS, Aceleración de vértebra T1, tiempo de contacto con 
reposacabezas, etc.)
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Columna vertebral y cuello. Criterios Biomecánicos
• Momento respecto del Condilo Occipital (Myoc o MOC)
• Se trata de una corrección del 
momento (Y o X) medido por la célula 
de carga de la parte superior del 
cuello al punto exacto del condilo 
occipital (unión entre cráneo y C1)
• El valor de la corrección a aplicar 
dependerá del modelo de célula de 
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dependerá del modelo de célula de 
carga
• Son frecuentes las referencias a él 
únicamente como “Momento de 
cuello”. En caso de duda, es 
importante concretar si la referencia 
es al Momento de cuello medido 
directamente por la célula de carga o 
si se refiere al momento sobre el 
Condilo Occipital.
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Columna vertebral y cuello. Criterios Biomecánicos
• Momento respecto del Condilo Occipital (Myoc o MOC)
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Columna vertebral y cuello. Criterios Biomecánicos
• Nij
• Relaciona las fuerzas axiales (Fz) y el momento transversal en el condilo 
occipital (Myoc)
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• Empleado por la normativa americana FMVSS 208
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Columna vertebral y cuello. Criterios Biomecánicos
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Columna vertebral y cuello. Criterios Biomecánicos
• Criterios basados en fuerzas máximas o acumuladas (Fx y Fz)
• Se basan normalmente en la zona superior del cuello
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Columna vertebral y cuello. Criterios Biomecánicos
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Columna vertebral y cuello. Criterios Biomecánicos
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Columna vertebral y cuello. Criterios Biomecánicos
• NIC (Neck Injury Criterion)
• Ha sido probablemente el 
primer criterio de aceptación 
“general” para la evaluación del 
riesgo de whiplash
• Se basa en la estimación de la 
forma de “S” a través de la 
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forma de “S” a través de la 
diferencia entre las 
aceleraciones medidas en la 
cabeza y en la vértebra T1
• Sensible a rotaciones como 
sólido rígido del cuello
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Columna vertebral y cuello. Criterios Biomecánicos
• Nkm
• Se basa en la combinación de la fuerza Fx y el momento Myoc 
medidos en el extremo superior del cuello
• En cierto modo está basado en el criterio Nij, cambiando la fuerza 
Fz por Fx
• Utiliza cuatro situaciones de carga en función de los signos de Fx y 
Myoc. El criterio final “Nkm” es una combinación de las cuatro.
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Myoc. El criterio final “Nkm” es una combinación de las cuatro.
Fx
+ -
Myoc + Flexión Anterior (Fa) Flexión Posterior 
(Fp)
- Extensión Anterior 
(Ea)
Extensión Posterior 
(Ep)
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Columna vertebral y cuello. Criterios Biomecánicos
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Columna vertebral y cuello. Criterios Biomecánicos
• LNL (Lower Neck Load index) 
• Criterio basado en cargas 
medidas en la parte inferior del 
cuello
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Columna vertebral y cuello. Criterios Biomecánicos
• Otros Criterios:
• NDC (Neck Displacement Criterion): 
• Basado en el desplazamiento y giro de la cabeza con respecto de la 
vértebra T1
• Aplicable a maniquíes y sujetos humanos
• Relevancia histórica, pero en desuso
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• Relevancia histórica, pero en desuso
• IV-NIC (Inter Vertebral Neck Injury Criterion):
• Se mide el movimiento relativo entre vértebras consecutivas
• Sólo se usa en experimentos biológicos. No aplicable a maniquíes actuales.
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Bibliografía
Libros:
[1]. K.-U. Schmitt, P. Niederer, M. Muser, F. Walz. “Trauma 
Biomechanics” Accidental Injury in Traffic and Sports”. Springer. 
ISBN 798-3-540-73872
Láminas de anatomía (Gray):
http://www.bartleby.com/107/
Secciones Visible Human Project
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Secciones Visible Human Project
http://zatoka.icm.edu.pl/vh/VisibleHuman.html
Información sobre crash test dummies e instrumentación:
www.humaneticsatd.com
Criterios de daño:
http://www.crash-
network.com/Download/Crash_Analysis_Criteria_1.6.2.pdf