Estabilidade articular na tibiotársica. - MovLab

I SIMPOSIUM INTERNACIONAL DE BIOMECÁNICA Y PODOLOGÍA DEPORTIVA – Sevilla, 5 e 6 Junio de 2009
ESTABILIDADE ARTICULAR NA TIBIOTÁRSICA - Adaptabilidade da rigidez dinâmica associada
João M.C.S. Abrantes
MovLab 1/ Universidade Lusófona, Lisboa, Portugal
Biomecânica do Movimento Humano e Estabilidade Articular
Em Biomecânica do Movimento Humano a velocidade angular intersegmentar é a
variável que traduz não só a carga mecânica intersegmentar controlada, como a
adaptação do executante ao objectivo mecânico de acordo com a percepção dos
elementos estruturais e funcionais do meio e do corpo. Para o trabalho presente ao I
Simposium
Internacional de
Biomecánica y Podología Deportiva resumimos a
definição dos modelos biomecânicos como uma associação dos dados directos e
indirectos obtidos em Laboratório. Ultrapassando, pela natureza do presente trabalho, a
definição e enquadramento de todas as condicionantes metodológicas relacionadas com
os registos dos dados directos e indirectos, nomeadamente a sua frequência e respectivo
sincronismo, podemos localizar a natureza dos dados referidos. Dados directos, os que
são obtidos com base nos registos das forças externas que actuam sobre o centro de
pressão dos apoios, nomeadamente as forças reactivas do apoio. Dados indirectos, os
que são obtidos com base nos registos das imagens. Com base nas imagens podem ser
obtidos todos os necessários dados de natureza morfológica e cinemática que, uma vez
integrados com os dados das forças externas, podem constituir a base para a
determinação do Momento de força resultante (Mf ) em cada articulação ou, o parâmetro
tradutor da funcionalidade do sistema músculo-esquelético. Este parâmetro, a rigidez
dinâmica, traduz o estado da estabilidade articular. Propomos, então, de modo não
intrusivo, e somente com base em dados directos e indirectos, analisar a carga mecânica
nas articulações e o controlo simultâneo da posição angular intersegmentar.
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MovLab Laboratório de Animação Digital e Biomecânica do Movimento Humano
(www.movlab.ulusofona.pt) e-mail: [email protected]
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Como primeira estimativa, a carga mecânica nas articulações pode ser analisada com
base no Momento de força resultante (Mf), determinado por metodologias de dinâmica
inversa alicerçadas nos dados que compõem os modelos biomecânicos. No entanto Mf é
insuficiente para determinar o efeito e o grau de importância da coordenação
intermuscular (em especial a coordenação agonista /antagonista por co-contracção) na
carga mecânica nas articulações.
Tal como qualquer análise biomecânica sobre o resultado do controlo motor sobre o
complexo articular do tornozelo a Osteocinemática do Tornozelo (Neuman, 2002)
define que o complexo articular do tornozelo não dispensa a participação simultânea das
suas várias articulações o que implica uma integração das três componentes simultâneas
do deslocamento angular (θx, θy, θz).
Concretamente para a relação mecânica “pé-perna”, o Mf é calculado pelo produto
vectorial da força reactiva do apoio e a distância entre o CoP (centro de pressão no
apoio) e o centro de rotação daquela relação osteocinemática. Este centro é determinado
pelos modelos biomecânicos como sendo a meia distância entre os dois maléolos tibiais.
O Mf determinado é decomposto em três componentes cada uma delas correspondendo a
uma acção de rotação: dorsiflexão-plantarflexão; abdução-adução; eversão-inversão.
Cada uma dessas componentes (Mfx; Mfy; Mfz) é associada ao correspondente
deslocamento angular (θx, θy, θz) proporcionando três componentes de análise do
Trabalho interno desenvolvido: (Wr=∫Mf dθ).
A designação do estudo apresentado no I Simposium Internacional de Biomecánica y
Podología Deportiva baseia-se, então, na apresentação do comportamento da
estabilidade articular de dorsiflexão-plantarflexão e, consequentemente, da componente
Osteocinemática da tibiotársica.
O comportamento de produção e absorção de potência em qualquer articulação implica
um desenvolvimento de fases de contracção muscular predominantemente concêntrica,
alternadas com fases de contracção muscular excêntrica. Esta abordagem associa, por
um lado, que o trabalho muscular é acentuadamente isotónico e que, por outro lado, o
investigador apenas toma em conta o comportamento, ao longo do tempo, do momento
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de força (Mf) resultante e a posição angular intersegmentar associada (θ ). Este
resultado final é estudado como o resultado de um controlo sobre, simplificando, o
grupo muscular agonista e o grupo muscular antagonista que actua sobre a articulação
em estudo. O executante no entanto, não está a controlar “mais” os agonistas ou os
antagonistas. O executante está a controlar o deslocamento intersegmentar de acordo
com o seu objectivo motor, ou mais genericamente, o executante não pensa em
músculos, pensa em deslocamentos. Portanto, o executante adapta, tanto quanto
possível, a velocidade angular ao objectivo motor, de acordo com a percepção que tem
das informações que recebe dos elementos estruturais e funcionais em presença
(elementos passivos e activos da articulação) e da sua localização no espaço. Esta
capacidade de percepção sobre os elementos em presença não é linear, depende da
informação que é disponibilizada sobre características desses elementos mas,
fundamentalmente, da capacidade do sistema nervoso as integrar e emitir ordens de
controlo efectivas, eficazes e, se possível, eficientes. Por exemplo, uma velocidade
angular intersegmentar nula pode não ser o objectivo do executante mas o resultado de
uma enorme e incontrolável espasticidade muscular. Há uma enorme rigidez mas não se
apresenta adaptada ao objectivo motor. No limite, o registo poderá ser o de um
momento de força nulo porque as forças agonista e antagonista se anulam e, portanto,
uma velocidade angular nula. O inverso poderá surgir. Definido o objectivo como
velocidade
angular
intersegmentar
nula
o
executante
pode
não
controlar
convenientemente a relação intersegmentar havendo um desequilíbrio agonista e
antagonista.
Como procedimento alternativo para analisar o comportamento mecânico da
articulação, incluindo o efeito de co-contracção, será importante determinar a rigidez
dinâmica associada aos deslocamentos intersegmentares com o executante em fase de
apoio no solo. A rigidez dinâmica pode ser definida como resistência da actividade
muscular e das estruturas articulares como reacção às forças externas, mas de modo a
manter o deslocamento angular intersegmentar adequado ao objectivo da tarefa. As
forças externas que actuam sobre o complexo articular são, essencialmente, a força
reactiva do apoio, a força de gravidade e as forças geradas pela inércia dos
deslocamentos. O objectivo da tarefa “estabilidade articular” não se traduz apenas ou
pelo comportamento do momento de força (Mf) resultante e deslocamento
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intersegmentar (θ ), mas pelo controlo da associação dos dois parâmetros. Esta
associação resulta de um controlo directo e indirecto da rigidez dinâmica ou, numa
análise mais detalhada das respectivas componentes.
A resistência do sistema músculo-esquelético, próprio de um complexo articular, é
originado na sincronização do conjunto da resistência passiva com a resistência activa.
A resistência passiva depende, genericamente, da arquitectura do complexo articular e
das propriedades visco elásticas dos materiais componentes (cartilagens, ligamentos). A
resistência activa depende do grau de resistência proporcionado pela actividade
muscular e, em especial, da coordenação intermuscular (nomeadamente a coordenação
agonista /antagonista por co-contracção).
Assim, a rigidez dinâmica pode ser uma importante fonte de informação para
determinação do esforço (stress) gerado em cada articulação uma vez que depende
essencialmente, e é indicativo, do grau de co-contracção muscular.
O procedimento relativamente simples para determinar a rigidez dinâmica depende do
exame da relação entre o Mf e o respectivo deslocamento angular. Este exame é
realizado pelas características regressão linear que resulta da associação das duas
variáveis e revela genericamente o comportamento mecânico do sistema.
Na sequência desta introdução propomos manter uma linha metodológica de associação
dos conceitos de estabilidade articular e de rigidez dinâmica, com o objectivo de
construir um instrumento de observação visual directa dessas capacidades, seguindo de
muito perto o que apresentámos anteriormente (Abrantes, 2004, 2006, 2007, Gabriel R,
et al. 2008).
Descrição e Avaliação da Estabilidade Articular
Na perspectiva biomecânica o conceito que foi adaptado da Mecânica dos Materiais de
Rigidez como significante da Bioresistência, desenvolvida pelos materiais biológicos
presentes, pode ser utilizado na construção dum indicador de Estabilidade Articular. Em
termos gerais a Estabilidade Articular resulta da capacidade motora de controlar os
elementos que actuam em cada um dos complexos articulares. O efeito de controlo
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sobre os elementos activos (ou, neuromusculares), é associado ao efeito dos elementos
passivos (propriedades mecânicas dos materiais que compõem esses complexos
articulares). O resultado desse efeito de controlo associado, proporciona ao executante
um determinado grau de concretização do objectivo de deslocação ou posição
intersegmentar. Essa capacidade terá graus de segurança e solidez que proporcionam a
esse executante uma fiabilidade da execução dentro de parâmetros que lhe permitem,
por um lado, a estabilidade geral do corpo e, por outro, uma margem de confiança de
que o desempenho é mais confortável do que realizado em limites dinâmicos muito
próximos dos processos que provocam lesão. Estes limites estão associados quer ao
controlo sobre os graus de liberdade redundantes quer aos momentos de força presentes.
As variações observadas indicam a existência de uma componente de controlo, avaliada
pela maior ou menor actividade muscular dos músculos responsáveis pelos
deslocamentos intersegmentares, predispondo o controlo a diferentes níveis de alerta.
Este alerta, ou, grau de sensibilidade do sistema de controlo, poderá ser quantificado
pelo maior ou menor grau de rigidez necessária à estabilidade associada a cada tarefa.
Especificamente para o tornozelo, o limiar de sensação proprioceptiva aumenta com a
idade e, portanto, a percepção de vibrações na articulação do tornozelo reduz com a
idade (Daley and Spinks 2000). Uma vez que é a articulação do tornozelo a maior fonte
de receptores controladores posturais, aquela redução faz com que se diminua o
controlo da estabilidade podendo assim, dar origem a disfunções nos diversos tipos de
locomoção.
Numa primeira abordagem a avaliação da Estabilidade Articular depende da capacidade
do investigador determinar algumas das características que respondem ao objectivo
motor:
a) Proporciona um alinhamento anatómico adequado?
b) Transmite uma carga adequada através do controlo dos graus de liberdade
redundantes?
c) Sustenta a desejada velocidade angular através da capacidade da regulação
actividade muscular predominantemente concêntrica ou excêntrica?
d) A idade biológica do executante altera as características anteriores?
e) Todas as anteriores conjugam-se para proporcionar uma adequada rigidez
dinâmica como resistência às forças exteriores?
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Análise da Estabilidade Articular
O conceito de Estabilidade Articular implica, no entanto, uma maior abrangência em
dois campos de análise. Primeiro, se os graus de liberdade redundantes são controlados,
há uma associação da velocidade angular às características de inércia dos segmentos
apoiados numa dada articulação. Neste caso, a noção base é a de que a transmissão de
força de um segmento anatómico para o seu adjacente é tanto mais eficiente quanto
mais estável estiver a articulação comum (Crisco and Panjabi 1990; Ivanova and
Pershin 1981; Latash and Zatsiorsky 1993). Segundo, enquanto os momentos de força
são desencadeados, há um campo de análise determinado pela capacidade de medir a
energia rotacional em presença implicando o desenvolvimento de modelos que
traduzam o papel dos elementos activos e passivos do complexo articular em questão
(Fernandes and Abrantes 2003a; Granata and Wilson 2002; Morasso and Sanguineti
2002; Winter 2003).
Por outro lado, um dos componentes decisivos da estabilidade está relacionado com a
rigidez própria das estruturas musculares durante a sua própria alteração de
comprimento ou, durante o desempenho dos mecanismos de rotação de um segmento
em relação ao seu adjacente. A rigidez muscular é um factor importante, não só em
tarefas que impliquem “potência”, “força rápida”, “movimentos de alongamento e
encurtamento”, mas igualmente, em situações cujo objectivo é o imobilismo da
articulação, isto é, situações quasi-estáticas. O cálculo de um parâmetro que quantifique
este estado de rigidez tem sido proposto por vários autores e com diversas abordagens
(Bobet et al. 1990; Farley and Morgenroth 1999; Latash and Zatsiorsky 2001;
McMahon and Cheng 1990; Nigg and Liu 1999; Van Soest et al. 2003; Zatsiorsky
2002).
Com base na adaptação da Lei de Hook as características passivas poderão ser
avaliadas. A Lei de Hook mede stress, isto é, mede a relação entre a força de tracção
exercida sobre o músculo e a variação do seu comprimento. No entanto, se
considerarmos que a capacidade em manter a articulação estável depende,
essencialmente, da relação constante gerada entre: 1) Por um lado, do momento de força
que tende a desestabilizar; 2) Por um lado, das capacidades passivas das estruturas
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musculares e articulares locais prontas a contrariar aqueles desequilíbrios. Então, se
houver capacidade de análise da resultante destes factores (momento de força
desestabilzador e capacidades passivas e activas) teremos acesso aos dados de rigidez
através da variação angular intersegmentar que está associada instantaneamente aos
momentos de força de tensão produzidos. Esta solução mostra-se prática na medida em
que, através da utilização de metodologias associadas à dinâmica inversa - no caso da
análise do Movimento Humano através dos seus elementos visíveis e mensuráveis - é
relativamente acessível determinar aquela relação instantânea gerada entre o momento
de força e a posição angular intersegmentar, ou rigidez rotacional (Torsional Stifness)
(Farley and González 1996; Gabriel and Abrantes 2001; Gunther and Blickhnan 2002;
Stefannyshyn and Nigg 1998).
Entretanto, diversas determinações têm sido tentadas para medir a rigidez dos membros
inferiores, incluindo, rigidez vertical (vertical stiffness) e a rigidez do membro inferior
(leg stiffness) conforme (Butler et al. 2003). Neste artigo Butler e colaboradores
realizam uma síntese dos métodos que têm estado associados aos diferentes modos de
interpretar a rigidez e das suas relações com vários tipos de desempenho motor. A
aplicação destes conceitos tem tido diversas aplicações, seja para estudar as diferenças
entre géneros (Gabriel 1999; Granata and Wilson 2002), seja para relacionar a rigidez
com características morfológicas dos executantes (Williams et al. 2004)
As oscilações produzidas pelo corpo na posição quasi-estática permitem descrever de
um modo indirecto a rigidez articular e o controlo postural. Anteriormente proposemos
a medição nesta situação quasi-estática através do estudo das coordenadas do centro de
pressão do corpo no apoio (Fernandes e Abrantes 2004). A situação quasi-estática
corresponde a uma situação de vai-vem em torno da posição neutral. Considerando que
a posição neutral é aquela em que as forças de tensão são nulas entre os corpos em
contacto e, portanto, com ausência de produção de energia mecânica na respectiva
interface, o processo de reajuste postural inicia-se por um vai-vem entre a dorsiflexão e
a plantarflexão da perna em relação ao pé (designaremos, tornozelo). Esse vai-vem
corresponde ao controlo sobre os mecanismos que produzem a energia rotacional e
correspondem sistematicamente a uma conjugação dos sentidos em que consideramos a
orientação da velocidade angular do tornozelo e do momento de força resultande que aí
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actua. Genericamente, há produção de energia na articulação se as dois parâmetros têm
o mesmo sentido, há absorção de enegia se têm sentidos contrários. Propomos que este
critério de produção ou absorção de energia mecânica seja a base para a análise da
rigidez rotacional na generalidade de situações. A metodologia proposta implica que em
cada execução sejam definidos os intervalos de tempo em que se há absorção ou
produção de energia mecânica encontrando, assim, um critério de divisão não por fases
da tarefa baseada em aspectos exteriores da execução, mas sim por um critério baseado
em aspectos objectivados pela dinâmica do desempenho.
Demonstração experimental
Com o objectivo de verificar a adaptabilidade da “histerese articular” propomos que a
determinação tradicional da rigidez dinâmica seja complementada por dois valores de
rigidez dinâmica – valor da rigidez dinâmica de absorção de energia intersegmentar e
valor da rigidez dinâmica de produção de energia intersegmentar. O valor da rigidez
dinâmica de absorção de energia intersegmentar está associada a uma co-contracção
predominantemente excêntrica, e, valor da rigidez dinâmica de produção de energia
intersegmentar está associada a uma co-contracção predominantemente concêntrica.
Nestes casos a inclinação da recta de regressão encontra sistematicamente valores
diferentes para as fases de absorção ou produção de energia traduzindo, assim a
adaptabilidade da rigidez dinâmica associada. A mesma adaptabilidade é registada
como o resultado do controlo sobre o “esforço” mecânico que se torna necessário para o
mesmo executante desempenhar diversas tarefas.
Com o objectivo de verificar a funcionalidade da metodologia proposta foram realizadas
recolhas específicas que serão apresentadas e discutidas durante o I Simposium
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