Avanços tecnológicos na prática ortopédica: análises de membros superiores e inferiores

Resumos

Biomechanics is nowadays characterized by new procedures for human movement analysis and by modern measurement techniques, data processing and storage, contributing to the advances in the orthopedic practice. The proposed thematic in this work is based on the application of orthopedic biomechanics to different clinical cases, through quantitative evaluation of the upper and lower limb movement and the development of new assessment techniques. Three examples are shown in this paper: (I) a tridimensional analysis of the abduction movement of the shoulder; (II) a gait analysis in individuals with anterior cruciate ligament injury; and (III) the development of electronic instrumentation for walking aids i.e., instrumented canes and crutches for the study of the relationship between the upper and lower limb loads during gait of orthopedic and neurologic patients.

Biomechanics; Medical Technology; Orthopedics; Shoulder; anterior cruciate ligament

ARTIGO DE ATUALIZAÇÃO

Avanços tecnológicos na prática ortopédica: Análises de membros superiores e inferiores

Alberto Cliquet Júnior^I; Juracy Emanuel Magalhães da Franca^II; Denise Sônego^III; Tatiana Grana^IV; Fernando Idalírio de Lima Leite^V; Alessandra Rossi Paolillo^VI; Fernanda Rossi Paolillo^VII

^IProfessor Titular: Dep. Engenharia Elétrica – USP, São Carlos / Dep. Ortopedia e Traumatologia – FCM, UNICAMP

^IIMestre em Engenharia Elétrica – USP, São Carlos

^IIIMestranda em Cirurgia / Dep. Ortopedia e Traumatologia – FCM, UNICAMP

^IVMestre em Cirurgia / Dep. Ortopedia e Traumatologia – FCM, UNICAMP

^VMestre em Engenharia Elétrica – USP, São Carlos

^VIMestranda em Bioengenharia – USP, São Carlos

^VIIMestranda em Bioengenharia – USP, São Carlos

^{Endereço para correspondência}

RESUMO

A Biomecânica, atualmente, é caracterizada por novos procedimentos para análise do movimento humano e por novas técnicas de medição, armazenamento e processamento de dados, contribuindo para os avanços na prática ortopédica. A temática proposta no presente trabalho baseia-se na aplicação da biomecânica ortopédica em diferentes quadros clínicos, através de avaliações quantitativas do movimento dos membros superiores e inferiores, além da criação de novas técnicas de medição. Três exemplos são mostrados neste artigo: (I) análise tridimensional do movimento de abdução do ombro; (II) análise da marcha de indivíduos com lesão no ligamento cruzado anterior; e (III) o desenvolvimento de instrumentação eletrônica para dispositivos de auxílio, ou seja, bengalas e muletas instrumentalizadas para o estudo das relações de força entre os membros superiores e inferiores, durante a marcha de pacientes com lesão ortopédica e neurológica.

Descritores: Biomecânica, Tecnologia médica, Ortopedia, Ombro, Ligamento cruzado anterior

INTRODUÇÃO

A Biomecânica como ciência interdisciplinar, abrange a descrição, análise e interpretação dos movimentos do corpo humano, através da aplicação sinérgica de conceitos da física, química, matemática, anatomia, fisiologia, entre outros. Sua contribuição ocorre em várias áreas, como a Engenharia de Reabilitação, Ergonomia, Ortopedia e Traumatologia⁽¹⁾. Na Ortopedia, possibilitou um aumento no entendimento das funções dos ossos, músculos, ligamentos e tendões; permitiu uma melhor compreensão dos efeitos da tensão mecânica sobre as propriedades físicas dos ossos, possibilitando novas técnicas cirúrgicas e tratamentos para deformidades ósseas, consolidação de fraturas, osteoporose por desuso e atrofia muscular; além do desenvolvimento de órteses, neuropróteses e novos dispositivos para reabilitação de membros superiores e inferiores^(7-10,17). Outros avanços tecnológicos na prática ortopédica são as avaliações e análises biomecânicas nas disfunções de ombro e joelho, bem como, o desenvolvimento de instrumentação eletrônica para uso clínico.

AVALIAÇÃO TRIDIMENSIONAL DA ABDUÇÃO DO OMBRO

A avaliação biomecânica por meio de imagens tridimensionais (3D) permite a análise dinâmica e a visualização dos movimentos articulares, sendo amplamente utilizada para análise da marcha, entretanto, em seu uso clínico, as avaliações do membro superior com disfunção ainda não estão propriamente estabelecidas⁽¹⁶⁾. Há uma dificuldade para estabelecer o protocolo, pois os movimentos dos membros superiores apresentam maior variabilidade e complexidade, comparados aos padrões cíclicos de movimentos dos membros inferiores. Então, a restrição do movimento permite a análise de um problema específico no membro superior. A abdução do ombro em indivíduos que apresentam, por exemplo, patologia do manguito rotador e fratura da tubererosidade do úmero, pode ser utilizada para avaliar a evolução nas diferentes fases do tratamento fisioterapêutico^(12,14). Neste trabalho, os padrões de movimentos de abdução do ombro normal e patológico foram quantificados utilizando o sistema optoeletrônico Qualisys de captura de movimentos.

Foram avaliados 15 sujeitos saudáveis e 5 pacientes (1 com ruptura do manguito rotador e 4 com fratura da tuberosidade do úmero). Nos casos patológicos a abdução do ombro estava severamente comprometida.

Utilizou-se cinco câmeras infravermelho posicionadas formando ângulos de 120°, obtendo-se as coordenadas 3D de quatro marcadores esféricos reflexivos, com 13 mm de diâmetro, fixados com fita auto-adesiva sobre as seguintes referências anatômicas (Figura 1): epicôndilo lateral do úmero direito (I) superfície do acrômio direito (II) e esquerdo (III) e espinha ilíaca ântero-superior direita (IV).

O ângulo de abdução do ombro foi definido como resultado de uma intersecção de duas retas e quantificada utilizando as coordenadas 3D dos marcadores. Assim, a abdução é mensurada através do ângulo entre os segmentos (I-II) e (II-IV), enquanto a compensação do movimento no plano frontal foi avaliada utilizando o segmento (II-III), como mostra a Figura 1. Os dados foram obtidos enquanto os sujeitos posicionados em pé à frente das câmeras realizavam movimentos contínuos de abdução até 90°, com o braço direito, durante 16 segundos.

Os pacientes apresentaram diminuição da amplitude dos graus de abdução e maior variabilidade dos movimentos, comparados aos sujeitos normais (Figura 2-b). Também, foi constatado amplo movimento compensatório no plano frontal, observado pelos segmentos II-III (Figura 3-b). Por outro lado, nos sujeitos saudáveis, os movimentos foram executados uniformemente, apresentando maiores amplitudes angulares e repetibilidade (Figura 2-a).

Esta avaliação mostra claramente a disfunção do ombro, embora não possa ser utilizada para identificar uma patologia específica (por exemplo, diferenciar a fratura da tuberosidade do úmero da ruptura do manguito rotador). Os resultados obtidos são importantes para a implementação dos protocolos de avaliação Fisioterapêutica e Ortopédica utilizados para análise do movimento dinâmico do ombro patológico, diferentemente das avaliações estáticas realizadas, até hoje, com o uso de goniômetros, as quais apresentam maior margem de erro e menor precisão.

ANÁLISE DA MARCHA DE INDIVÍDUOS COM LESÃO NO LIGAMENTO CRUZADO ANTERIOR

A Lesão no Ligamento Cruzado Anterior (LCA) é uma das doenças mais freqüentes induzidas pela locomoção⁽⁶⁾. De acordo com a literatura, as lesões no LCA influenciam o mecanismo funcional da articulação do joelho, reduzindo a sua flexibilidade e aumentando a instabilidade articular⁽¹³⁾. A proposta deste estudo foi avaliar as alterações biomecânicas decorrentes das deficiências no LCA através das forças de reação, variação angular e torques da articulação do joelho.

Foram avaliados durante a marcha, 7 pacientes com deficiência unilateral do ligamento cruzado anterior e 10 sujeitos saudáveis. Os dados cinemáticos e cinéticos das articulações do quadril, joelho e tornozelo, foram obtidos bilateralmente em todos os pacientes e no grupo controle, durante a atividade proposta. A análise da marcha foi realizada utilizando a plataforma de força e o sistema Qualisys, que inclui o software Q gait 2.0, um conjunto de 6 câmeras – 60 Hz e marcadores reflexivos colocados nas localizações anatômicas (Figura 4) para a coleta dos dados das coordenadas tridimensionais. Os dados cinemáticos e da força de reação foram coletados e combinados através do método da dinâmica inversa para o cálculo do torque articular e da potência.

Os resultados obtidos evidenciam que pacientes com lesão no LCA modificam suas atividades extra-ambulatoriais e o padrão de marcha durante a fase de apoio, na subfase do segundo duplo apoio, com redução do pico do momento fletor quando o joelho está flexionado a 30 graus. Estas modificações estão relacionadas à tendência dos pacientes evitarem/reduzirem a contração do quadríceps, flexionando o joelho com lesão no cruzado anterior no instante próximo da extensão completa, bem como, a carga no LCA, pois a contração máxima do quadríceps ocorre quando o joelho está fletido entre 5 e 25 graus, aproximadamente. Os ângulos da articulação do joelho do grupo controle e dos pacientes com deficiência no ligamento cruzado anterior podem ser vistos nas figuras 5 e 6, respectivamente. As diferenças entre as médias dos valores obtidos pelos grupos foram identificadas por meio do teste t Studant (Tabela 1).

Este estudo foi o primeiro passo quanto à identificação dos mecanismos envolvidos na adaptação funcional da marcha de pacientes com a lesão no LCA. O desenvolvimento do processo de adaptação à lesão, sugere a auto-seleção de fatores e respostas neuromusculares, podendo ser aprendidas como estratégia para um novo movimento. Presume-se que estas adaptações sejam realizadas de maneira subconsciente, a fim de evitar o deslocamento proximal da tíbia, que pode ocorrer na ausência da função do ligamento cruzado anterior^(2,5).

DISPOSITIVOS DE AUXÍLIO INSTRUMENTALIZADOS PARA MARCHA

Para a obtenção da eficiência biomecânica durante a marcha patológica é essencial a adequação das cargas aplicadas nos membros superiores e inferiores para melhorar a postura e o equilíbrio, além de potencializar a reabilitação de indivíduos que possuem lesões ortopédicas e/ou neurológicas (lesão medular, acidente vascular cerebral, traumatismo crânio-encefálico, durante a consolidação de fraturas ósseas, entre outros). O prognóstico favorável em algumas destas patologias, depende, por exemplo: da sustentação de peso nos membros inferiores, gerando o efeito piezoelétrico nas estruturas ósseas⁽¹¹⁾, bem como, a redução da sobrecarga corpórea aplicada nos membros superiores, para prevenção de lesões articulares ou complicações decorrentes de siringomielia pós-traumática^(3,4).

Então, partindo da necessidade de quantificar as cargas aplicadas e a relação das forças entre membros superiores e inferiores durante a marcha, foram desenvolvidas e construídas instrumentação eletrônica para dispositivos de auxílio - bengalas e muletas (Figura 7) e um software para aquisição e tratamento do sinal (Figura 8).

Na haste inferior dos dispositivos de auxílio, foram colocados sensores strain-gages para mensurar a força. Os sinais de carga capturados podem ser enviados para o conversor analógico/digital, com taxa de aquisição de 50 Hz⁽¹⁵⁾, armazenados na memória de um microcontrolador e posteriormente analisados pelo software desenvolvido. Outra opção é o uso da conexão por cabo ou telemetria, possibilitando a visualização dos dados em tempo real.

Com o sistema desenvolvido é possível monitorar a força axial aplicada na bengala ou muleta versus tempo (impulso) durante os ciclos da marcha, permitindo a visualização dinâmica da marcha patológica (Figura 9).

CONCLUSÃO

Os avanços tecnológicos mostrados neste artigo podem fornecer parâmetros biomecânicos para diagnóstico, prognóstico e intervenções terapêuticas, auxiliando na elaboração de protocolos de tratamento na Ortopedia e Reabilitação, focando em particular o quadro clínico de cada paciente.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a Fundação de Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP). – Processo n° 96/12198-2.

Trabalho recebido em 27/5/03

Aprovado em 16/02/04

Trabalho realizado no Departamento de Ortopedia e Traumatologia, Faculdade de Ciências Médicas, Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Campinas, Brasil.

Departamento de Engenharia Elétrica e Bioengenharia, Universidade de São Paulo (USP), São Carlos, Brasil.

• 1. Amadio CA, Baumann W. Aspects of methodology to determine the internal forces of the locomotor system. Braz J Biomech 1:7-14, 2000.
• 2. Arms SW, Pope MH, Johnson RJ. The biomechanics of anterior cruciate ligament rehabilitation and recontruction. Am J Sports Med 12:8-11, 1984.
• 3. Asano M, Fujiwara K, Yonenobu K, Hiroshima K. Post-traumatic syringomyelia. Spine 21: 1446-1453, 1996.
• 4. Belanger E, Levi AD. The acute and chronic management of spinal cord injury. J Am Coll Surg 190:589-604, 2000.
• 5. Berchuck M, Andriacchi TP, Bach BR, Reider B. Gait adaptations by patients who have a deficient anterior cruciate ligament. J Bone Joint Surg Am 72:871-877, 1990.
• 6. Bollen S. Ligament injuries of the knee - limping forward? Br J Sports Med 32:632-644, 1998.
• 7. Carvalho DCL, Carvalho MM, Cliquet Junior A. Osteoporose por desuso: aplicação na reabilitação do lesado medular. Acta Ortop Bras 9:34-43, 2001.
• 8. Cliquet Junior A, Ortolan R, Cunha FL, Carvalho DCL, Franca JEM, Maria ASLS, Silva OL. Tendências em biomecânica ortopédica aplicadas à reabilitação. Acta Ortop Bras 9:44-58, 2001.
• 9. Cliquet Junior A. Conexão reativada. Revista Pesquisa - FAPESP 80:48-51, 2002.
• 10. de Castro MC, Cliquet A Jr. An artificial grasping evaluation system for the paralysed hand. Med Biol Eng Comp 38:275-281, 2000.
• 11. Edgerton VR, Roy RR, Hodgson JÁ et al. How the science and engineering of spaceflight contribute to understanding the plasticity of spinal cord injury. Acta Astronaut 47:51-62, 2000.
• 12. Leroux JL, Micallef JP, Bonnet F, Blotman F. Rotation - abduction analysis in 10 normal and pathologic shoulders. Elite system application. Surg Radiol Anat 14:307-313, 1992.
• 13. Noyes FR, Basset RW, Grood ES, Butler DL. Artroscopy in acute traumatic hemarthrosis of the knee: incidence of anterior cruciate tears and other injuries. J Bone Joint Surg Am 62: 687-695, 1980.
• 14. Pap G, Machner A, Wissl H, Awiszus F. Dreidimensionale bewegungs-analyse am schultergelenk - ein neues verfahren zur charakterisierung von parametern der schultergelenksfunktion. Z Orthop 138:344-348, 2000.
• 15. Patrick T, Gerald FH, Khomeshwari A et al. A biofeedback cane system: instrumentation and subject application results. IEEE Trans Rehabil Eng 3:132-138, 1995.
• 16. Rau G, Disselhorst-Klug C, Schimidt R. Movement biomechanical goes upwards: from the leg to the arm. J Biomech 33:1207-1216, 2000.
• 17. Sepúlveda F, Cliquet A Jr. Gait restoration in a spinal cord injured subject via neuromuscular electrical stimulation controlled by an artificial neural network. Int J Artif Organs 21:49-62, 1998.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  24 Jun 2004
• Data do Fascículo
  Mar 2004

Histórico

• Aceito
  16 Fev 2004
• Recebido
  27 Maio 2003