AVALIAÇÃO DA FIDEDIGNIDADE DO MODELO DE SEGMENTOS ARTICULADOS PARA MEMBRO SUPERIOR

Transcrição

1 AVALIAÇÃO DA FIDEDIGNIDADE DO MODELO DE SEGMENTOS ARTICULADOS PARA MEMBRO SUPERIOR Joelly Mahnic de Toledo, Daniel Cury Ribeiro, Jefferson Fagundes Loss Escola de Educação Física Universidade Federal do Rio Grande do Sul UFRGS Porto Alegre. Resumo: A fidedignidade é uma maneira indireta de se avaliar modelos biomecânicos. O objetivo desse estudo foi avaliar a fidedignidade do modelo de segmentos articulados para avaliação da força e momento resultantes do membro superior. Um indivíduo do sexo masculino foi avaliado utilizando-se cinemetria 3D com cinco câmeras de vídeo. A mesma coleta foi realizada em três dias diferentes e o indivíduo realizou 5 repetições de elevação do ombro no plano escapular sem carga. Para processamento dos dados cinemáticos, foi utilizado o software Dvideow e para aplicação do modelo escolhido e cálculo da fidedignidade, o software Matlab7.0. A fidedignidade foi assumida como a diferença da raiz quadrada entre todos pontos coletados pareados nas três coletas. As variáveis analisadas foram ângulo de elevação, força e momento e a fidedignidade foi, respectivamente: 8,9º, 1,6 N e 1,9 Nm. Os resultados sugerem melhor fidedignidade para os dados de força e momento do modelo. Palavras Chave: fidedignidade, modelo, membro superior. Abstract: Reliability is an indirect way to evaluate biomechanical models. The objective of this study was to evaluate the reliability of the linked rigid-body model for upper limb resultant force and moment estimation. One male subject was evaluated using a 3D kinemetry with 5 video cameras. Data was collected in the same way on three different days with the subject performing 5 repetitions of shoulder elevation in the scapular plane without load. The software Dvideow was used to process the kinematic data and Matlab7.0 for application of the chosen biomechanical model and to calculate the reliability. The reliability was calculated as the root mean square difference among all of the paired data points from the three sets of data. The analyzed variables were elevation angle, force and moment, reliability was, respectively: 8.9º, 1.6 N and 1.9 Nm. The results suggest a better reliability for model force and moment data. Keywords: reliability, model, upper limb. INTRODUÇÃO O conhecimento do comportamento das cargas impostas às articulações do corpo humano permite maior controle sobre as mesmas, tornando as prescrições de exercícios mais seguras [1]. Existem diferentes formas de se quantificar as cargas impostas às articulações do corpo humano. A mensuração direta, através de sensores, é feita geralmente, em animais. Contudo, a aplicação desta técnica em seres humanos é restrita devido a questões éticas e tecnológicas. Já a mensuração indireta envolve o uso de modelos matemáticos, que visam representar o gesto analisado e quantificar as cargas impostas às articulações [,3,4]. Um aspecto relevante na elaboração de qualquer modelo é, justamente, quão próximo da realidade o modelo se encontra. Para isso, faz-se necessária a avaliação do modelo. Esta a avaliação é algo um tanto complexo e a fidedignidade é uma maneira indireta de realizá-la [,4,5]. A maioria dos estudos que envolve a apresentação de modelos matemáticos mostram um estudo preliminar sobre a fidedignidade do teste e da técnica de mensuração [5,6,7,8,9,10,11]. Fidedignidade é o grau de reprodutibilidade das medições de uma mesma grandeza quando se repetem as medidas variando o tempo entre as coletas, mantendo as demais condições constantes, tais como método de medição, observador, instrumento de medição, local e condições de utilização [1]. A fidedignidade dos modelos tradicionais cinéticos e cinemáticos é afetada pela habilidade de localizar as marcações anatômicas com acurácia, afim de definir os centros articulares e os 857

2 sistemas de coordenadas anatômicas [13]. A grande amplitude de movimento do membro superior aumenta o problema da movimentação da pele e dos tecidos moles, que é a maior limitação da acurácia de todas as técnicas de medida que usam sensores posicionados sobre a pele [11]. A análise da fidedignidade estabelece se há concordância entre repetidas medidas e em qual grau. A fidedignidade é um problema de estimativa que a maioria dos estudos concorda que a melhor maneira de analisá-la é por meio das diferenças entre as medidas de cada sujeito da amostra [14]. Com isso, o objetivo desse estudo foi avaliar a fidedignidade do modelo de segmentos articulados para avaliação da força e momento resultantes do membro superior. MATERIAIS E MÉTODOS A amostra foi composta por um indivíduo do sexo masculino, com 5 anos de idade, 175cm de altura, 80Kg, sem histórico de lesão no ombro avaliado. Foram utilizados como instrumentos de coleta: 5 câmeras de vídeo JVC GR-DVL9800 com freqüência de amostragem de 50Hz, 5 fitas de vídeo mini DV, 5 holofotes, 1 calibrador tridimensional Peak Performance, marcadores reflexivos e 1 metrônomo. A mesma coleta foi realizada em três dias diferentes. Na coleta foi realizada a filmagem do indivíduo realizando o movimento de elevação do ombro no plano escapular sem carga externa a 45º/s. O indivíduo foi posicionado sentado, com o membro superior direito em repouso e realizou 5 repetições consecutivas do gesto de elevação do ombro. A partir destas repetições, foi calculada a média dos valores de força de reação proximal e momento proximal do gesto de elevação. Para processamento dos dados cinemáticos, foi utilizado o software Premiere Pro para captura das imagens da coleta, o software Dvideow [15] para digitalização das imagens e o software Matlab 7.0 para aplicação do modelo matemático e cálculo da fidedignidade. O modelo matemático utilizado neste estudo é um modelo em 3 dimensões de segmentos articulados, associado à solução inversa, o qual permite a análise das cargas aplicadas às articulações dos membros superiores [16]. Algumas considerações são necessárias sobre o modelo: os segmentos corporais são considerados corpos rígidos, as articulações são consideradas como dobradiças/gínglimo, a massa do segmento é fixa e localizada no centro de massa, centro de massa é fixo, o momento de inércia do segmento é fixo, o comprimento de cada segmento permanece constante, o modelo não prevê situações de cocontração muscular, os resultados fornecidos de força de reação e momento proximal são resultados líquidos [16]. Este modelo segue as leis de movimento de Newton, as quais são expressas pelas Equações 1 e : Em que: F = ma (1) M = Ḣ () Σ F = somatório das forças; m = massa; a = aceleração linear do centro de massa; Σ M = somatório dos momentos; H = taxa de variação do momento angular. 858

3 A fidedignidade foi avaliada pela raiz quadrada da diferença entre todos os pontos coletados pareados [5], como mostra a Equação 3: 1 Erro RMS= 1000 [( x1i xi) + ( xi x3i) + ( x3i x1i) ] (3) Em que: Erro RMS = índice de fidedignidade; x1, x e x3 = pontos individuais coletados de cada variável (força ou torque ou ângulo de elevação nos 3 dias de coleta); i = instante de tempo. RESULTADOS Os resultados são referente às médias e desvio padrão dos dados de força resultante, momento resultante e ângulo de elevação. A Figura 1 apresenta os resultados de força resultante média nos 3 dias de coleta. Nas coletas 1, e 3, a força média foi, respectivamente, 38,74 (±1,49); 38,73 (±,36) e 38,84 (±,46) N. Figura - Torque resultante médio e desvio padrão. A Figura 3 apresenta os resultados de ângulo de elevação médio nos 3 dias de coleta. Nas coletas 1, e 3, o ângulo de elevação médio foi, respectivamente, 47,05º (±6,44), 61,05º (±39,95) e 6,13º (±37,86). Figura 3 - Ângulo de elevação médio e desvio padrão. Figura 1 - Força resultante média e desvio padrão. A Figura apresenta os resultados de torque resultante médio nos 3 dias de coleta. Nas coletas 1, e 3, o torque médio foi, respectivamente, 7,0 (±,75); 6,57 (±3,07) e 6,98 (±,51) Nm. A Tabela 1 apresenta a fidedignidade para força, torque e ângulo de elevação expressa como Erro RMS. O valor RMS encontrado para o erro da força resultante representa apenas 3,4% da força máxima encontrada neste estudo, já o valor de torque representa 17% e o do ângulo de elevação, 4% do máximo durante as 3 coletas. 859

4 Tabela 1: Variáveis analisadas e valores do Erro RMS. Variáveis Erro RMS Força 1,6 N Torque 1,9 Nm Ângulo de elevação 8,9º DISCUSSÃO Sabe-se que a grande amplitude de movimento do membro superior aumenta o problema da movimentação da pele, limitando a acurácia das técnicas de medida que usam sensores montados na pele [11]. Alguns estudos analisaram a fidedignidade de modelos matemáticos para membro superior, entretanto, seus resultados são preferencialmente para ângulos de movimento, e não para torque e força resultantes [5,6,9]. Em um estudo, um modelo dinâmico do ombro foi introduzido, onde as forças eram aplicadas individualmente nos músculos em 10 cadáveres durante a elevação do membro superior e era possível reproduzir a movimentação da articulação gleno-umeral. A análise da fidedignidade foi feita para os ângulos de abdução, ântero/retroflexão e rotação do ombro, apresentando, respectivamente valores de variação de 0.80º, 0.75º e 1.36º [6]. Outros autores estabeleceram uma base de dados cinemáticos, junto com dados de força externa e torque no ombro para desenvolverem um modelo biomecânico da articulação do ombro e cotovelo. O estudo mostrou uma melhor fidedignidade associada à rotação interna do ombro e uma menor fidedignidade associada à flexão de cotovelo. Todas as variações angulares nesse estudo foram menores que 6º. Em relação aos valores de torque, a variação média foi menor que 0,7 Nm, sendo que a maior variação correspondeu ao torque de abdução do ombro [5]. Outro estudo analisou em três dimensões o movimento das articulações do ombro, cotovelo e punho de músicos de diferentes instrumentos de cordas. Para isso, realizaram uma avaliação prévia da fidedignidade e mostraram uma diferença média da estimativa da amplitude articular de apenas.3º no ombro,.7º no cotovelo e 5.1º no punho, o que é considerado pelos autores uma fidedignidade aceitável para o estudo em questão [9]. Pode-se perceber que os valores encontrados na literatura para amplitude de movimento são menores do que os do presente estudo. Isso possivelmente deve-se ao fato de que nos estudos citados, os autores utilizavam guias para a realização do movimento, ou seja, suportes materiais que guiavam a amplitude de movimento dentro do desejado. Isso não foi utilizado no presente estudo e pode ser uma possível causa para a pior fidedignidade apresentada para ângulo de elevação. Além disso, poucos estudos sobre modelos matemáticos de membro superior apresentam resultados sobre a fidedignidade de resultados de torque e força resultantes dos seus modelos. Isso dificulta comparações com a literatura, mas acredita-se que a maior variação do torque em relação aos dados de força seja devido ao fato de que o torque resultante sofre maior influência da variação angular, que conseqüentemente apresentou maior variação neste estudo, do que a força, que é mais influenciada pela aceleração, a qual apresentou-se pequena e praticamente constante ao longo do movimento analisado. 860

5 CONCLUSÃO Dentre as variáveis analisadas (ângulo, força e momento), os resultados sugerem melhor fidedignidade para os dados de força e momento do modelo de segmentos articulados. REFERÊNCIAS [1] Sogaard K, Laursen B, Jensen BR, Sjogaard G. Dynamic loads on the upper extremities during two different floor cleaning methods. Clinical Biomechanics 001; 16: [] Nigg BM, Herzog W. Biomechanics of the Musculo-Skeletal System. John Wiley & Sons Ltda, [3] Loss JF. Avaliação dos parâmetros inerciais massa, centro de massa e momento de inércia do membro inferior em humanos. Tese de Doutorado, PROMEC, UFRGS, 001. [4] Winter DA. Biomechanics and Motor Control of human movement. Wiley, New York, 005. [5] Murray IA, Johnson GR. A study of the external forces and moments at the shoulder and elbow while performing every day tasks. Clinical Biomechanics 004; 19: [6] Wuelker N, Whirth CJ, Plitzt W, Roetman B. A dynamic shoulder model: reliability testing and muscle force study. Journal of Biomechanics 1995; 8 (5): [7] Meskers CGM, Vermeulen HM, Groot JH, Van Der Helm FCT, Rozing PM. 3D shoulder position measurements using a six-degree-offreedom electromagnetic device. Clincal Biomechanics 1998; 13: [8] Meskers CGM, Van Der Helm FCT, Rozendall LA, Rozing PM. In vivo estimation of the glenohumeral joint rotation center from scapular bony landmarks by linear regression. Journal of Biomechanics 1998; 31: [9] Turner Stokes L, Reid K. Three-dimensional motion analysis of upper limb movement in the bowing arm of string-playing musicians. Clinical Biomechanics 1999; 14(6): [10] Steinwender G, Saraph V., Scheiber S, Zwick EB, Uitz C, Hackl K. Intrasubject repeatability of gait analysis data in normal and spastic children. Clinical Biomechanics 000; 15: [11] Rau G, Disselhorst-Klug C, Schmidt R. Movement biomechanics goes upwards: from the leg to the arm. Journal of Biomechanics 000; 33: [1] Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 10536: Estatística - Terminologia. Rio de Janeiro, [13] Besier TF, Sturnieks DL, Alderson JA, Lloyd DG. Repeatability of gait data using a functional hip joint centre and a mean helical knee axis. Journal of Biomechanics 003; 36: [14] Carson MC, Harrington ME, Thompson N, O Connora JJ, Theologisc TN. Kinematic analysis of a multi-segment foot model for research and clinical applications: a repeatability analysis. Journal of Biomechanics 001; 34: [15] Figueroa PJ, Leite NJ, Barros RML. A flexible software for tracking of markers used in human motion analysis. Computer Methods and Programs in Biomedicine 003; 7: [16] Ribeiro DC. Implementação de um Modelo para Cálculo das Forças Proximais e Momentos Proximais Resultantes para o Membro Superior. Dissertação de Mestrado, UFRGS, joellytoledo@hotmail.com 861