Análise biomecânica do membro inferior de participantes saudáveis

Este artigo introduz uma metodologia experimental abrangente em duas das mais recentes tecnologias disponíveis para medir a biomecânica dos membros inferiores dos indivíduos.

Técnicas de análise biomecânica são úteis no estudo do movimento humano. O objetivo deste estudo foi introduzir uma técnica para a avaliação biomecânica dos membros inferiores em participantes saudáveis utilizando sistemas comercialmente disponíveis. Foram introduzidos protocolos separados para os sistemas de análise da marcha e de teste de força muscular. Para garantir a máxima precisão para a avaliação da marcha, deve-se dar atenção às colocações dos marcadores e ao tempo de aclimatação da esteira auto-acelerado. Da mesma forma, o posicionamento do participante, um teste prático e o incentivo verbal são três estágios críticos no teste de força muscular. As evidências atuais sugerem que a metodologia descrita neste artigo pode ser eficaz para a avaliação da biomecânica dos membros inferiores.

A disciplina da biomecânica envolve principalmente o estudo de estresse, tensão, cargas e movimento de sistemas biológicos - sólidos e fluidos. Envolve também a modelagem de efeitos mecânicos na estrutura, tamanho, forma e movimento do corpo¹. Por muitos anos, os desenvolvimentos neste campo melhoraram nossa compreensão da marcha normal e patológica, mecânica do controle neuromuscular e mecânica de crescimento e forma².

O principal objetivo deste artigo é apresentar uma metodologia abrangente sobre duas das mais recentes tecnologias disponíveis para medir a biomecânica dos membros inferiores dos indivíduos. O sistema de análise de marcha mede e quantifica a biomecânica da marcha usando uma esteira auto-acelerada (SP) em combinação com um ambiente de realidade aumentada, que integra um algoritmo sp para regular a velocidade da esteira, como descrito por Sloot et al³. O equipamento de teste de força muscular é usado como uma avaliação e uma ferramenta de tratamento para a reabilitação da extremidade superior⁴. Este dispositivo pode avaliar objetivamente uma variedade de padrões fisiológicos de tarefas de movimento ou simulação de trabalho em modos isométricos e isotônicos. Atualmente é reconhecido como o padrão-ouro para a medição da força do membro superior^5, mas as evidências relacionadas especificamente ao membro inferior ainda não estão claras. Este artigo explica o protocolo detalhado para a conclusão de uma avaliação da marcha e da força isométrica para a extremidade inferior.

Dentro da análise biomecânica, é útil combinar avaliações de desempenho funcional (como análise de marcha) com testes específicos de desempenho muscular. Isso porque, embora possa-se supor que o aumento da força muscular melhora o desempenho funcional, isso pode nem sempre ser aparente⁶. Esse entendimento é necessário para o melhor desenho futuro de protocolos de reabilitação e estratégias de pesquisa para avaliar essas abordagens.

O método relatado foi seguido em um estudo que recebeu aprovação ética do Comitê de Ética em Pesquisa da Universidade de Bournemouth (Referência 15005).

1. Participantes

1. Recrutar adultos saudáveis (idade entre 23 e 63 anos, média ± S.D.; 42,0 ± 13,4, massa corporal 70,4 ± 15,3 kg, altura 175,5 ± 9,8 cm; 15 homens, 15 mulheres) para participar do estudo. Trinta participantes foram recrutados para este estudo.
2. Certifique-se de que não há histórico autorreferido de tonturas, problemas de equilíbrio ou dificuldades de caminhada nos participantes.
3. Certifique-se de que os participantes não sofreram de nenhuma lesão neuromuscular conhecida ou condição que afete o equilíbrio ou a caminhada.

2. Configuração e procedimentos para análise da marcha

1. Use um sistema de análise de marcha(Figura 1)composto por uma esteira instrumentada por placa de força de dupla correia, um sistema de captura de movimento de 10 câmeras e um ambiente virtual que fornece fluxo óptico.
2. Certifique-se de que o participante está usando roupas não reflexivas muito apertadas, como shorts de bicicleta ou leggings.
3. Utilizando fitas adesivas de dupla face, anexam 25 marcadores reflexivos passivos e colocam de acordo com a configuração inferior do corpo do hbm⁷ conforme detalhado na Tabela 1 e Figura 2. As informações deste documento são retiradas do Manual de Referência hbm⁸.
4. Use uma régua articular para medir as larguras necessárias do joelho e tornozelo para o HBM⁶.
5. Fixar o participante a um cinto de segurança que está preso a um quadro superior.
6. Inicie uma nova sessão no banco de dados e certifique-se de que está ativa (destacada).
7. Usando a guia assunto, crie um novo participante a partir do botão Esqueleto de rotulagem.
8. Navegue até o arquivo 'LowerLimb HBM_N2.vst' e digite o nome do participante. O novo participante aparece no painel Assuntos.
9. Vá para o painel Ferramentas e abra a guia Preparação do Assunto.
10. Nível zero as placas de força através da guia Hardware. Certifique-se de que nenhum peso é exercido sobre as placas de força.
11. Prepare o participante para o teste de ROM, tendo-os prontos no meio da esteira.
12. Para garantir que o participante possa se acostumar com a esteira auto-acelerada, peça-lhe para caminhar a uma velocidade confortável por 5 min no início da sessão^9,10.
13. Após a aclimatação e sem qualquer tempo de atraso, peça ao participante para caminhar por um mínimo de 5 min^10,11.
14. Certifique-se de que os participantes fiquem cegos para o momento das gravações.
15. Certifique-se de iniciar a esteira e iniciar as gravações de dados clicando no botão Iniciar gravação ¹². Isso pode ser feito com software integrado (Tabela de Materiais).
16. Interrompa a gravação depois de adquirir a quantidade desejada de dados. Recomenda-se coletar três conjuntos de 25 ciclos.
17. Abra o software de processamento(Table of Materials)e remova o ruído de alta frequência nos dados, selecionando um filtro de passagem baixa para os dados do marcador, como um filtro Butterworth de segunda ordem com uma frequência de corte de 6 Hz.
18. Vá para Arquivoe selecione Exportar para salvar como .csv.
19. Determine os passos individuais a partir de dados de força vertical e use os marcadores de pé para verificar os eventos de marcha¹³.
20. Analisar os parâmetros da marcha, tais como dados cinemáticos, cinéticos e espaço-temporais em Matlab R2017a (Arquivo Suplementar).

3. Configuração e procedimentos para o teste de força muscular

1. Use o equipamento de teste de força muscular (dinamômetro multimodal) (Figura 3), para medir a força muscular dos participantes com base na Contração Isométrica Voluntária Máxima (MVIC)¹⁴.
2. Conecte a ferramenta/bloco número 701 à cabeça de exercício do dinamômetro.
3. Testar a força muscular isométrica do joelho direito e esquerdo.
4. Teste os participantes em uma posição sentada em uma cadeira com um encosto.
5. Usando o interruptor para cima/para baixo, alinhe o eixo dinamômetro com o eixo anatômico de rotação da articulação do joelho. Coloque a almofada da ferramenta centralmente na parte inferior da canela da tíbia.
6. Mantenha o joelho a 90° de flexão, o quadril em rotação neutra e abdução, e o pé em flexão plantar.
7. Coloque as mãos do participante no abdômen e estabilize o tronco, os quadris e a coxa na cadeira com Velcro alças.
8. Execute um teste prático para os participantes se acostumarem com a manobra de teste.
9. Instrua o participante a estender o joelho (exercer pressão para cima na almofada) seguido de flexão (exercer pressão para baixo na almofada) para exercer uma contração máxima no comando Vá para 3 s.
10. Forneça instruções verbais e encorajamento ("Push" para cima e "Pull" para baixo) durante o teste de força.
11. Certifique-se de que os participantes estão cientes de que podem parar o teste imediatamente se experimentarem alguma dor ou desconforto incomum.
12. Permita que os participantes descansem por 2 min.
13. Repita os passos 3.1 - 3.12, três vezes para a perna esquerda e perna direita e registre os dados em newtons (N).
14. Guarde todos os dados e exporte como um relatório para a análise.

A média e o desvio padrão dos parâmetros de marcha espacial-temporal, cinemática e cinética são dados na Tabela 2. Os dados mvic para todos os 30 participantes estão resumidos na Tabela 3. Um conjunto típico de dados para o lado esquerdo e direito de um participante mostrando representação gráfica dos parâmetros da marcha é fornecido na Figura 4 e Figura 5,respectivamente.

Os dados apresentados são representativos dos resultados obtidos entre todos os participantes e são consistentes com os resultados de referência de livros didáticos obtidos para o teste de marcha e força isométrica¹⁵.

Figura 1: Sistema de análise de marcha. O sistema GRAAL é usado para medir parâmetros de marcha. Este sistema consiste em uma esteira instrumentada de correia dividida, tela de projeção semi-cilíndrica de 160°, sensores de força, câmeras de vídeo e sistema de infravermelho óptico. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Diagrama dos marcadores utilizados no Modelo do Corpo Humano (HBM). Esta figura mostra as colocações exatas de todos os marcadores no modelo de corpo inferior hbm. Atenção especial deve ser dada à colocação dos marcadores impressos em verde (negrito na Tabela 1); estes são usados durante a inicialização para definir o esqueleto biomecânico. Esta figura é adaptada do Manual de Referência HBM⁸. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: O equipamento de teste de força muscular (dinamômetro multimodal) usado para medir a força muscular dos membros inferiores dos participantes. Este sistema é usado para medir a força muscular dos participantes com base na Contração Isométrica Voluntária Máxima (MVIC). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Um relatório amostral produzido a partir da análise offline da avaliação da marcha utilizando a técnica proposta. Dados temporais espaciais e ciclo de marcha cinética e cinética para o lado esquerdo de um participante. Cada linha representa um ciclo de marcha. O eixo Y representa os ângulos articulares em graus para as parcelas cinemmáticas e o momento conjunto no medidor de newton por quilograma para as parcelas cinéticas. As linhas vermelhas representam parâmetros de marcha do lado esquerdo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: Um relatório amostral produzido a partir da análise offline da avaliação da marcha utilizando a técnica proposta. Dados temporais espaciais e ciclo de marcha cinética e cinética para o lado direito de um participante. Cada linha representa um ciclo de marcha. O eixo Y representa os ângulos articulares em graus para as parcelas cinemmáticas, e o momento conjunto no medidor de newton por quilograma para as parcelas cinéticas. As linhas verdes representam parâmetros de marcha do lado direito. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Tabela 1: Marcadores utilizados no Modelo do Corpo Humano (HBM). Esta tabela mostra as colocações exatas de todos os marcadores no modelo de corpo inferior hbm. Atenção especial deve ser dada à colocação dos marcadores escritos em negrito; estes são usados durante a inicialização para definir o esqueleto biomecânico. Esta tabela é adaptada do Manual de Referência HBM⁸.

Tabela 2: O desvio médio e padrão dos parâmetros de marcha espacial-temporal, cinemática, cinética para os 30 participantes. Os parâmetros da marcha são relatados para o lado esquerdo e direito separadamente.

Tabela 3: O desvio médio e padrão da Contração Isométrica Voluntária Máxima (MVIC) para a articulação do joelho utilizando o equipamento de teste de força muscular para os 30 participantes.

Arquivo suplementar 1: Arquivo de codificação Matlab. Clique aqui para ver este arquivo (Clique com o botão direito do mouse para baixar).

A contribuição deste estudo é descrever com precisão e integralmente dentro de um protocolo as técnicas para análise combinada de marcha e testes de força muscular que não foram descritas anteriormente em conjunto.

Para obter resultados precisos para a análise da marcha, existem duas áreas que requerem atenção máxima: 1) colocações de marcadores e 2) tempo de aclimatação. A precisão dos dados medidos depende fortemente da precisão do modelo utilizado. Os outros fatores-chave que afetam a precisão incluem o movimento errôneo do marcador devido à deformação superficial da pele em relação à estrutura esquelética subjacente e a resolução do sistema de rastreamento¹⁶. A Figura 2 mostra as colocações exatas de todos os marcadores no modelo de corpo inferior hbm. Atenção especial deve ser dada à colocação dos marcadores impressos em verde; estes são usados durante a inicialização para definir o esqueleto biomecânico. Os participantes foram convidados a caminhar pelo menos 5 min para se adaptar em SP esteira andando^17,18. O modo SP foi escolhido para permitir aos participantes uma variabilidade mais natural do passo³. No entanto, estudos têm demonstrado que a velocidade de caminhada varia mais durante a caminhada de SP e a perturbação da marcha pode ocorrer através da aceleração ou desaceleração da correia³. Em consonância com outros estudos^13,19, para minimizar esse efeito, recomendamos que pelo menos cinco minutos^{e 19} sejam permitidos para aclimatação.

Para medir a força muscular dos participantes usando o equipamento de teste muscular, existem três estágios críticos: 1) alinhamento da articulação do joelho com o eixo dinamômetro, 2) ensaio prático e 3) incentivo verbal. O alinhamento inadequado entre o dinamômetro e o eixo de rotação da articulação do joelho pode introduzir um fator de consciência de avaliação isométrica precisa²⁰. Ao longo do estudo, todos os participantes receberam instruções precisas sobre o sistema antes de participar. No entanto, um ensaio prático e o incentivo verbal são dois fatores que podem afetar muito o MVIC¹⁴. Muitos dos indivíduos submetidos ao teste de força têm experiência muito limitada ou não na realização de manobras de teste de força. Os testes de força geralmente têm se mostrado confiáveis²¹, mas foi demonstrado que os escores de força dos participantes novatos provavelmente melhorarão nos testes subsequentes à medida que se tornam mais confortáveis e familiarizados com o teste e o sistema²². O encorajamento verbal durante o teste de exercício tem sido demonstrado para aumentar a força máxima²³, taxa de desenvolvimento de força²³, ativação muscular²⁴, resistência muscular²⁵, potência²⁶, consumo máximo de oxigênio²⁷, e tempo de exaustão^27,28. Por isso, recomendamos muito a adoção desta etapa.

No geral, os dados aqui apresentados são representativos dos resultados de referência de livros didáticos para testes de marcha e força isométrica obtidos em outros equipamentos. Por isso, propõe-se que a metodologia delineada neste artigo possa ser considerada eficaz na avaliação da marcha e da força muscular em indivíduos saudáveis. Outros estudos devem avaliar a confiabilidade desses sistemas antes de serem utilizados em aplicações clínicas.

Os autores não têm nada para revelar.

Gostaríamos de agradecer ao Dr. Johnathan Williams por seu conselho sobre o processamento de dados do MATLAB.