ADAPTAÇÃO DO BRAÇO MECÂNICO DO DINAMÔMETRO ISOCINÉTICO CYBEX (MODELO NORM) PARA MEDiÇÕES DE FLUTUAÇÕES DE FORÇA
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- Felipe Quintão Amado
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1 VIII CONGRESSO BRASilEIRO DE BIOMECÂNICA 311 ADAPTAÇÃO DO BRAÇO MECÂNICO DO DINAMÔMETRO ISOCINÉTICO CYBEX (MODELO NORM) PARA MEDiÇÕES DE FLUTUAÇÕES DE FORÇA André Cervied, André Felipe Schneider', Milton Antônio Zaro', Marco Aurélio Vaz? 1- LABORATÓRIO DE MEDiÇÕES MECÂNICAS DA ESCOLA DE ENGENHARIA DA UFRGS 2- LABORATÓRIO DE PESQUISA DO EXERCíCIO DA ESCOLA DE EDUCAÇÃO FíSICA DA UFRGS ABSTRACT The purpose of this study was to improve the system of data acquisition of the Cybex isokinetic dynamometer so that it would be possible (1) to evaluate forces in two directions, and (2) to verify force f1uctuations obtained through artificial electrical stimulation of skeletal muscle in different frequencies. A new mechanical arm was built to replace the original isokinetic dynamometer one. This new arm, which was instrumented with strain gauges, used the software SAD2 for data acquisition and analysis. The results obtained with different frequencies of artificial electrical stimulation of the femoral nerve show that the new arm is able to detect force f1uctuations, while the original data acquisition system of the dynamometer is noto The vertical forces obtained with the new arm allow for a correct positioning of the subject in the isokinetic dynamometer. Keywords: isokinetic dynamometer, measurement error, muscle force INTRODUÇÃO A medição acurada da performance do músculo esquelético humano tem sido objeto de estudo de profissionais voltados ao estudo do exercício por muitas décadas. Preocupados com a compreensão dos processos mecânicos e fisiológicos que ocorrem durante a contração muscular, cientistas procuram medir a força muscular acuradamente. Profissionais da área de reabilitação, por sua vez, procuram documentar a eficácia do exercício terapêutico em ajudar pacientes na recuperação de lesões do sistema musculoesquelético ( Perrin, 1993 ). Diferentes tipos de equipamento podem ser utilizados na medição de força. Um desses equipamentos é o dinamômetro isocinético, o qual permite o estudo da contração muscular das mais variadas formas (contrações estáticas ou isométricas, isocinéticas concêntricas, isocinéticas excêntricas, e isotônicas). A maior parte desses equipamentos, no entanto, não consegue atender aos diferentes objetivos de cientistas e profissionais da área terapêutica. Em função disso, existem limitações para o tipo de uso que se pode fazer desses equipamentos. Uma das limitações dos dinamômetros isocinéticos, por exemplo, é não possibilitar medições de flutuações de força durante contrações isométricas como aquelas obtidas durante protocolos em que a estimulação elétrica artificial é utilizada no estudo das propriedades mecânicas do músculo esquelético. Para que se possa realizar essas medições, adaptações tem de ser realizadas nesses equipamentos. Outra limitação desses equipamentos é que a força resultante obtida nos mesmos é fundamentalmente a força exercida contra o braço mecânico do aparelho na direção horizontal, sem que se tenha informações sobre possíveis componentes de força na direção vertical. Tal possibilidade, por exemplo, seria fundamental para que se pudesse determinar se o indivíduo que está sendo testado está bem posicionado em relação ao equipamento, e se a força produzida está sendo realizada na direção correta (ou seja, se o exercício está sendo executado corretamente). Portanto, o objetivo deste estudo foi desenvolver um novo braço mecânico para um dinamômetro isocinético que possibilitasse medidas acuradas de flutuações de força durante protocolos de estimulação elétrica artificial, bem como medições de força nas direções horizontal e vertical. Projeto financiado pelo CNPq e pelo INDESP.
2 VIII CONGRESSO BRASilEIRO DE BIOMECÂNICA 312 MATERIAL E MÉTODOS Amostra Um indivíduo participou de uma sessão para testar o novo braço mecanlco desenvolvido. Como o objetivo era apenas de ilustrar o funcionamento do equipamento, não foi necessário utilizar uma amostra maior. Torque O torque dos músculos extensores do joelho foram medidos através de um dinamômetro isocinético Cybex (NORM). Os ângulos do quadril e joelho foram mantidos constantes em aproximadamente 90 graus. Braço Mecânico Para se obter a sensibilidade desejada projetou-se um novo eixo para o Cybex onde foram posicionados extensômetros para medição de forças em duas direções, vertical e horizontal, formando duas pontes de Wheastone completas. Na confecção do eixo foi utilizado o alumínio AA T6 (AISi1 MgO,5Mn) e 8 extensômetros comerciais para alumínio Kiowa, modelo KGF-2N-120-C1-23, de comprimento de 2mm, resistência de (120,2 ± 0,2)Q. Para a colagem dos mesmos utilizouse o adesivo KBR-610, o qual foi curado a quente (100 C, durante um período aproximado de 4 horas). Os strain gages foram colados nos quatro arcos extremidades da célula de carga, a partir da posição vertical da secção quadrada, tomando-se os eixos horizontal e vertical (Borchardt e Zaro, 1982). Com o intuito de se proteger os extensômetros e a ponte ao impacto, aplicou-se uma camada de silicone na região da colagem, e, a posteriori da cura do silicone, adaptou-se uma luva de PVC na referida área. Na calibração do sistema, utilizou-se o software SAD2 (Sistema de Aquisição de Dados, desenvolvido pelo LMM) e cargas estáticas crescentes de 2,016 Kg ( pesos padrão). Na Figura 1 podem ser vistos detalhes da calibração e o gráfico tensão (mv) x carga (N). Na avaliação 240 hz. estática, determinou-se a freqüência natural do sistema, a qual foi de ~ 144 o 120 'co rn C ~ I-., <J; R>' C!J'ô \:) o ""<J,, --- Ponte De Whestone Horizontal Ponte de Wheastone Vertical 'ô t>< 'à R>.!.'I-'Y!.'I-'?! <J; <J,,'Õ ",,'ô Carga (N) Fig. 1: Detalhe da calibração do eixo (à esquerda) e Curva de calibração (à direita). Estimulação Elétrica Artificial Estimulação elétrica artificial do nervo femoral foi aplicada por meio de um estimulador elétrico Grass (S88, Quincy, Mass., USA) com unidade de isolamento (modelo
3 VIII CONGRESSO BRASilEIRO DE BIOMECÂNICA 313 SIU8T) aprovada para utilização com seres humanos. Dois eletrodos de superfície (4,5 x 10 em) foram colocados (1) proximalmente, na superfície antero-medial da coxa, sobre o ponto anatômico aproximado da localização do nervo femoral, e (2) distalmente, sobre a porção distal do músculo quadríceps. Esse procedimento foi semelhante ao utilizado por Vaz (1996). Protocolo Após ter sido posicionado adequadamente no dinamômetro (Figura 2), o indivíduo foi submetido a dois protocolos: um com contrações produzidas artificialmente por meio de estimulação elétrica, e outro com contrações voluntárias. As contrações produzidas artificialmente tiveram por objetivo demonstrar a capacidade do aparelho em captar diferentes níveis de flutuações de força, enquanto as contrações voluntárias foram utilizadas para demonstrar os efeitos produzidos na força a partir de um posicionamento incorreto do indivíduo no aparelho. Todas as contrações produzidas foram contrações isométricas dos músculos extensores do joelho. Estimulações elétricas percutâneas do nervo femoral foram produzidas por um período aproximado de seis segundos a diferentes freqüências de estimulação e a uma voltagem fixa. A voltagem utilizada foi de 60 Volts e foi definida a partir do nível de conforto do sujeito. Freqüências de 1, 2,4,6,8,10,12,14,16,18,20 e 30 Hz foram utilizadas. Uma contração voluntária máxima (CVM) com duração aproximada de 5 segundos foi produzida a fim de que se pudesse determinar um nível de 50% da CVM. Em seguida, sete contrações (6 segundos de duração cada, a 50% CVM) foram produzidas com a cadeira fixada antero-posteriormente em sete diferentes posições. Um intervalo de 1 minuto entre as contrações foi usado a fim de evitar fadiga muscular. Fig. 2: Detalhe do novo eixo e do experimento feito com o mesmo. RESULTADOS Os gráficos da Figura 3 mostram a influência da posição da cadeira no sinal de força obtido com o novo braço. A curva inferior representa a força na direção vertical, enquanto a superior no sentido horizontal. Observe a diminuição da força no sentido horizontal e o aumento da força na direção vertical com as mudanças na posição da cadeira do dinamômetro.
4 VIII CONGRESSO BRASilEIRO DE BIOMECÂNICA 314 Fig. 3: Influência da posição da cadeira no sinal (ação da componente de força vertical) Na Figura 4 podem ser observados os resultados da força obtida a partir da leitura realizada pelo sistema de aquisição de dados do dinamômetro isocinético para duas frequências distintas (08 Hz e 20 Hz) de estimulação elétrica. Já a Figura 5 mostra as mesmas curvas de força obtidas no SAD. Em ambas Figuras os sinais foram adquiridos usando o novo eixo. Observe a presença de flutuações de força na Figura 5, enquanto na Figura 4 essas flutuações são praticamente inexistentes. ~JT ,..~ "\ Õ!.:u: _ - _ - -I 'Ó~ ~, ~ ' ~, IfoJo ,, Fig. 4: Sinal adquirido no Cybex para estímulos de 08Hz (esquerda) e 20Hz (direita) 13 -H.,! ~7. ~z.~, ~1.~ ~ H ~. ~ ~~ 361 3Z,., Z r. \If 1 _!f!cr1tf.uc~me~m:i~;t ter1»o (s) i:::~ Z 13,. 1$ tel!1)o (5),~~:.U.~ Fig. 5: Sinais adquiridos no SAD para estímulos de 08Hz (esquerda) e 20Hz (direita) A Figura 6 apresenta o espectro de freqüência obtido a partir do processamento dos sinais de força da Figura 5 por meio da transformada de Fourier (via FFT). Observe os picos próximos das freqüências de estimulação de 08 Hz (esquerda) e 20 Hz (direita), respectivamente.
5 VIII CONGRESSO BRASilEIRO DE BIOMECÂNICA 315. ". 2. i C 1. O o O2. o.zl 0.11 A :::1 i ~ 0.12! 0.1 o. 0.2 freqofnda (Hz),o fnqo'nda (Hz) " 21 Fig. 6: Demonstração dos sinais adquiridos pelo SAD para estímulos de 08Hz (esquerda) e 20Hz (direita) no campo Freqüência, via FFT. DISCUSSÃO Os objetivos do presente estudo foram de instrumentar um braço mecanlco no dinamômetro isocinético que possibilitasse (1) a aquisição de flutuações de força resultantes de contrações produzidas por meio de estimulação elétrica artificial, e (2) a aquisição de forças na direção vertical para auxiliar no correto posicionamento do indivíduo no dinamômetro isocinético. O processo de posicionamento do indivíduo é facilitado pelo novo eixo, visto que este possibilita o monitoramento de dados em duas direções (vertical e horizontal). Como pode ser observado na Figura 3 (esquerda), a posição ideal do indivíduo no Cybex é aquela onde a força é aplicada perpendicularmente ao braço (ou seja, a 90 graus com o mesmo). Pelo aumento dos sinais na direção vertical das curvas do centro e da direita, pode-se identificar a presença de duas componentes de força, o que demonstra o posicionamento inadequado do indivíduo para a realização do experimento. A inexistência de flutuações de força nos gráficos obtidos com o dinamômetro Cybex demonstra que o mesmo não é satisfatório para estímulos de variadas freqüências, visto que o sistema não conseguiu captar flutuações de força sob tais condições (Figura 4). Apesar de ser um excelente instrumento, eficaz na aplicação de exercícios terapêuticos e que ajudam pacientes na recuperação de lesões do sistema musculo-esquelético, o aparelho não parece ser ideal para experimentos que buscam investigar as propriedades mecânicas e fisiológicas do músculo esquelético. No entanto, o eixo instrumentado utilizado com o SAD possibilitou a visualização dessas flutuações de força em todos os estímulos realizados durante o experimento (Figuras 5 e 6). CONCLUSÕES O eixo novo possibilitou o aperfeiçoamento do sistema Cybex para medições de flutuações de força, na medida em que se pode ter uma idéia do comportamento muscular sob estímulos elétricos de diferentes freqüências. Além disso, a aquisição de sinais de força em duas direções acrescenta a facilidade de se encontrar a posição ideal de posicionamento do indivíduo na cadeira do dinamômetro. Esse procedimento, que antes era realizado apenas visualmente, possibilita hoje uma diminuição no erro da medida do aparelho. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer ao professor Eduardo Mendonça Scheeren por assessorar na coleta de dados, ao bolsista de Iniciação Científica Marcelo S. Costa por sua
6 VIII CONGRESSO BRASilEIRO DE BIOMECÂNICA 316 participação em algumas etapas iniciais do presente projeto e ao CNPq e ao INDESP pelo auxílio financeiro. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Borchardt, L, Zaro, M.A. Extensômetros de Resistência Elétrica, Editora da Universidade UFRGS, Perrin, D.H. Isokinetic Exercise and Assessment. Champaign, Human Kinetics Publishers, Vaz, M.A. Mechanism of Muscle Vibrations During Stimulated and Voluntary Isometric Contractions of Mammalian Skeletal Muscle. Dissertação de Doutorado. Calgary, Canada, pp , 1996.
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