Movimiento cerebral, deformación y posible lesión durante el cabeceo de fútbol

by | 5 de Ene, 2023 | 0 comments

1. Resumen

Este artículo aborda el problema de lo que sucede físicamente dentro del cráneo durante el contacto cabeza-bola. Se utilizan modelos matemáticos basados ​​en las leyes del movimiento de Newton y métodos numéricos para crear animaciones del movimiento y la deformación del cerebro dentro del cráneo.

Inicialmente, un espacio de 1.cm lleno de líquido cefalorraquídeo (LCR) separa el cerebro del cráneo rígido en adultos y niños mayores. La aceleración de toda la cabeza induce un pulso de gravedad artificial dentro del cráneo. Debido a que la densidad del cerebro difiere ligeramente de la del LCR, el cerebro se acelera y golpea la cara interna del cráneo, experimentando una deformación viscoelástica, que varía de 1.a 2.por ciento de compresión para cabeceo normal con buena técnica, de 5.a 1. por ciento de compresión para cabeceo normal con buena técnica. mala técnica, y de 3. a 4. por ciento de compresión por cabeceo accidental de balones ascendentes a quemarropa. La cantidad de tensión local desarrollada en el punto de impacto se magnifica por la concentración de fuerza causada por el desajuste entre la curvatura del cerebro y la curvatura del cráneo suprayacente. Los valores calculados se comparan con un nivel de seguridad putativo del 1.% de tensión de compresión máxima permitida por la anatomía del cráneo de los pájaros carpinteros.

Este nuevo análisis biomecánico permite visualizar eventos dentro del cráneo durante un cabezazo de fútbol. Los resultados sugieren que la seguridad de cabeceo mejora considerablemente cuando los jugadores cabecean el balón con una mayor masa corporal efectiva, que está determinada por el tamaño, la fuerza y ​​la técnica del jugador. Centrarse en enseñar la técnica adecuada, rediseñar las pelotas apropiadas para la edad con peso reducido y evitar estrictamente el contacto con la cabeza con pelotas rápidas y ascendentes pateadas a corta distancia pueden reducir sustancialmente el riesgo de lesiones cerebrales sutiles.

2.
Palabras clave: Aceleración; Biomecánica; Cerebro; Concusión; Fútbol; Cabeza; Título; Lesión; Jugador; Seguridad; Fútbol; Hacer fuerza; Trauma; Pájaro carpintero

Introducción

La medicina moderna abunda en ejemplos de efectos nocivos previamente ignorados de lesiones sutiles repetidas en el cuerpo. Los ejemplos familiares incluyen el cáncer de pulmón causado por fumar cigarrillos, el cáncer de piel causado por la exposición al sol, el daño del nervio auditivo causado por ruidos fuertes y el daño cerebral causado por la ingestión de alcohol. [1.. En el caso particular de la lesión mecánica del cerebro, el síndrome del bebé sacudido ahora se reconoce como un importante efecto nocivo de la aceleración de la cabeza que antes se consideraba tolerable. La demencia pugilística en boxeadores sometidos a repetidos golpes en la cabeza es una condición médica reconocida [2.. Incluso las conmociones cerebrales leves, cuando se repiten, ahora están bien documentadas para producir daño cerebral severo y duradero. [3.4..

El deporte del fútbol (conocido como fútbol americano fuera de los Estados Unidos) es único en el sentido de que la pelota se puede dirigir deliberada y resueltamente con la cabeza, un juego que se denomina “cabecear” la pelota. Una serie de estudios informados desde Noruega ha sugerido que la atrofia cerebral en la tomografía computarizada [5.cambios electroencefalográficos [6.y deficiencias sutiles en la memoria, la concentración, la planificación y el estado de alerta[8.8] ocurren en jugadores de fútbol de larga trayectoria que pueden relacionarse con la cantidad de balones cabeceados. Los jugadores de fútbol también pueden sufrir conmociones cerebrales leves repetidas debido a colisiones con otros jugadores, patadas altas o caídas al suelo, lo que posiblemente podría explicar las anomalías cerebrales en ausencia de efectos nocivos al cabecear el balón. [9,1.]. Curiosamente, Barnes [9] y Boden [1.] estudió la incidencia de conmociones cerebrales en jugadores por contacto con objetos distintos al balón, como el suelo, un poste de gol u otro jugador. Ambos estudios encontraron que la incidencia promedio de tales conmociones cerebrales no relacionadas con la pelota es de 1.por cada 2. años de juego activo. Esta incidencia es demasiado baja para explicar lesiones cerebrales repetidas o duraderas en jugadores de fútbol típicos. [1.]especialmente cuando dos tercios de tales conmociones cerebrales fueron leves, conmociones cerebrales de grado I, caracterizadas por confusión sin amnesia [9]. Por lo tanto, uno debe considerar seriamente el contacto entre la cabeza y el balón como una posible causa de lesión, ya sea en accidentes de cabeza, en los que las pelotas golpean a los jugadores desprevenidos, o en un cabezazo normal que ocurre en el curso rutinario de una carrera como jugador.

Matser y colaboradores [8.1.] encontraron que los jugadores holandeses de fútbol aficionados y profesionales se desempeñaron significativamente peor en las pruebas de memoria y planificación que los corredores y nadadores de control. Un estudio de seguimiento [1.] encontraron que la cantidad de cabezazos en una temporada estaba relacionada con peores resultados en las pruebas que miden la atención enfocada y la memoria visual/verbal en un grupo de 84.jugadores de fútbol profesionales activos de varios clubes de fútbol de primera división. Lipton y compañeros de trabajo [1.] Usando imágenes de resonancia magnética con tensor de difusión en 3. jugadores de fútbol que habían cabeceado el balón una media de 4…veces en el último año, se encontraron asociaciones estadísticas significativas de cabeceo con una microestructura anormal de la sustancia blanca y con puntuaciones de memoria más pobres. En un estudio similar, Koerte y colaboradores [1.] encontró anomalías dispersas en la materia blanca en los cerebros de jugadores de fútbol adultos jóvenes en comparación con los cerebros de los nadadores. Otro estudio de 1. jugadores usando estimulación magnética transcraneal [1.] encontraron que una sola sesión de práctica normal de cabeceo causaba deterioros inmediatos y transitorios en la función corticomotora y la memoria. Un estudio de jugadores jóvenes de alto nivel en los Estados Unidos encontró que el 4. % de los que cabeceaban el balón con frecuencia tenían puntajes de CI deficientes [1.].

Por el contrario, un estudio de jugadores del equipo nacional de EE. UU. con una larga historia de cabeceo [1.] no encontraron evidencia de lesión cerebral en comparación con atletas de pista no expuestos a cabeceos. También Kontos et al. [2.]. estudió la memoria verbal y visual, el procesamiento motor y los tiempos de reacción en jugadores de fútbol jóvenes y no encontró diferencias entre los grupos de cabezazos de baja, moderada y alta exposición. El tema sigue siendo controvertido y de gran preocupación para los padres de jugadores más jóvenes que se inician en el deporte temprano y pueden avanzar rápidamente a niveles competitivos más altos, donde cabecear es una parte del juego que se alienta y se espera. Estos mismos jugadores estarán expuestos a toda una vida de juego y podrían estar en riesgo de lesiones cerebrales acumulativas relacionadas con la aceleración. Teniendo en cuenta los 2.0 millones de futbolistas activos estimados en todo el mundo [1.,2..incluso un pequeño porcentaje de riesgo de lesión cerebral permanente tendría graves implicaciones para la salud pública.

Describir la biomecánica del traumatismo craneoencefálico cerrado es un problema clásico y aún abierto, difícil de estudiar experimentalmente. Los impactos contundentes potencialmente dañinos pueden durar tan solo de 2.a 2.0 ms [2.]. El movimiento posterior del cerebro dentro del cráneo dura solo unos pocos cientos de milisegundos y rara vez se ve. Es virtualmente imposible estudiar en tiempo real bajo condiciones de campo reales. Solo unos pocos estudios en animales, usando fotografía de alta velocidad a través de implantes de cráneo de plástico transparente o usando fluoroscopia de alta velocidad de gránulos radiodensos implantados [2.-2.] han examinado el movimiento real del cerebro durante un traumatismo craneoencefálico cerrado. Afortunadamente, el análisis matemático y el modelado del cráneo y el cerebro en respuesta a pulsos conocidos de aceleración de la cabeza permiten explorar una amplia variedad de condiciones que son difíciles, imposibles o poco éticas de reproducir en animales o humanos. [2.]. Este enfoque matemático es ideal para visualizar lo que realmente le sucede al cerebro durante y después de cabecear una pelota de fútbol. En este artículo utilizamos un modelo de elementos finitos validado para revelar los patrones instantáneos de deformación del cerebro durante los primeros 1.5.segundos después del contacto cabeza-balón.

Métodos

Acercarse

A diferencia de algunas teorías biomecánicas anteriores de traumatismo craneoencefálico cerrado que no incluyen explícitamente el espacio subaracnoideo y el líquido cefalorraquídeo (LCR) que rodea el cerebro [2.-3..las presentes simulaciones se basan en un modelo computacional validado [2.] describe el movimiento del cerebro, suspendido en el líquido cefalorraquídeo, en respuesta a la «gravedad artificial» provocada por la aceleración de la cabeza. Aquí es útil distinguir claramente dos marcos de referencia para el movimiento. El primero es el marco de referencia interno dentro del cráneo. Este marco de referencia es importante porque es el movimiento relativo del encéfalo con respecto al cráneo rígido lo que es responsable del traumatismo craneoencefálico cerrado. El segundo es el marco de referencia externo en el que se mueven la cabeza, el cuello y el cuerpo. Este marco de referencia es importante porque un golpe externo o una caída provoca el movimiento de toda la cabeza en este marco. La aceleración de la cabeza en el marco externo produce la aceleración del cerebro en el marco interno en respuesta a un pulso aparente de «gravedad artificial» dentro del cráneo. El efecto es como el que siente un hombre en un ascensor que sube repentinamente. Dentro del marco de referencia interno del ascensor, el pasajero experimenta una aceleración adicional hacia el piso del ascensor que es igual y opuesta a la aceleración ascendente del ascensor en el hueco. [3… El efecto de la aceleración de toda la cabeza sobre el cerebro es similar al efecto de la aceleración de un ascensor en ascenso sobre sus ocupantes. En este caso, el cráneo es análogo a las paredes del ascensor y el cerebro es análogo a un pasajero en el ascensor.

La aceleración lineal del cráneo rígido por una cantidad, adelante, produce una gravedad artificial correspondiente dentro del cráneo de -adelante. Sin embargo, a diferencia de un pasajero en un ascensor, el cerebro está suspendido en líquido cefalorraquídeo acuoso. Si ρCSF es la densidad de masa del LCR, ρ es la densidad de masa del cerebro y V es el volumen del cerebro, entonces la fuerza de la gravedad artificial sobre el cerebro es , y la flotabilidad del cerebro (según el principio de Arquímedes) es . Aplicando la segunda ley de movimiento de Newton (Fuerza = masa x aceleración) a todo el cerebro e ignorando el arrastre#,

(1.

donde cerebro es la aceleración del cerebro con respecto al cráneo en la dirección paralela a la aceleración de toda la cabeza. A su vez, la aceleración del cerebro en el marco de referencia interno del cráneo,

. (2.

Esta aceleración es sustancialmente menor que la aceleración en dirección opuesta, por delante, de la cabeza como un todo. Si la densidad del cerebro y del LCR estuvieran perfectamente emparejadas, la aceleración del cerebro con respecto al cráneo sería cero. En realidad, la densidad del LCR es de aproximadamente 1.00 y la densidad del cerebro es de aproximadamente 1.04.[3.-3.]por lo que la aceleración interna del cerebro es aproximadamente el 5.por ciento de la aceleración externa de la cabeza en magnitud.

Velocidad del cerebro hacia el cráneo

Según la primera tercera ley del movimiento de Newton, la fuerza reactiva sobre la cabeza es igual en magnitud y opuesta en dirección a la fuerza que la cabeza ejerce sobre la bola para realizar un trabajo: . Por la segunda ley de movimiento de Newton, el producto de la fuerza reactiva promedio y el breve intervalo de tiempo, Δt, de la colisión es igual a la masa de la pelota multiplicada por el cambio en la velocidad de la pelota: , donde la masa efectiva del jugador, , es el de la cabeza anclada por el cuello al torso. Por eso

(3.

Nota: # Es razonable ignorar los efectos del arrastre viscoso del agua del LCR sobre el cerebro, porque la distancia recorrida por el cerebro a través del LCR es corta y las velocidades del cerebro en relación con el cráneo están limitadas en esta distancia.

y a la vez

. (4.

Para una pelota que se dirige hacia atrás en la dirección de donde vino, podemos estimar el cambio en la velocidad de la cabeza y el torso de apoyo a partir del cambio en la velocidad de la pelota, la masa de la pelota y la «masa efectiva» de el jugador.

Para calcular el cambio en la velocidad del cerebro hacia el cráneo dentro del marco de referencia interno del cráneo, tenemos, usando la Ecuación (2.

. (5.)

Sustituyendo la aceleración de la cabeza de la Ecuación (4.,

(5.)

que es la velocidad inicial del cerebro hacia el cráneo en términos del cambio en la velocidad de la pelota, la proporción de masa pelota/jugador y la proporción de densidad del cerebro menos el LCR.

Tamaños y pesos de bolas

Los rangos de masas, diámetros y presiones de inflado recomendadas para balones de fútbol de tamaño juvenil y adulto están disponibles en los fabricantes y en las Leyes de…

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