Análise da força articular resultante entre diferentes movimentos do ombro com
e sem carga: estudo preliminar
INTRODUÇÃO
Modelos biomecânicos têm sido comummente utilizados com o objectivo de estimar
as forças de reacção proximal (FRP) e momento proximal (MP) tanto durante
actividades esportivas como durante actividades de vida diária (AVDs)(5, 7, 8,
17, 26, 28, 29). A estrutura dos modelos pode variar, conforme o objectivo do
estudo. Alguns estudos utilizam modelos músculo-esqueléticos(15, 21, 22, 28)
enquanto outros modelos utilizam estruturas mais simples, os denominados
modelos de segmentos rígidos(5, 8, 16, 19).
Os modelos de segmentos rígidos, apesar de opera-rem com forças e momentos
resultantes, são extremamente úteis para auxiliar a compreensão do tipo de
sobrecarga a que as articulações estão expostas(7, 8, 13). Recentemente, um
estudo destacou a necessidade de estruturar um banco de dados normativos sobre
as forças articulares resultantes do membro superior durante AVDs. Os autores
destacam a importância deste tipo de estudo para melhor compreensão da
sobrecarga a que as articulações do membro superior estão expostas(13). Nos
últimos anos, alguns estudos voltaram-se para análise do efeito de uma carga
externa sobre o ritmo escapuloumeral durante a elevação do braço(4, 10, 11, 14,
20).
Outros, voltaram-se para a análise de gestos esportivos(5, 7, 8), da propulsão
de cadeiras de rodas(17, 23-26, 29) e de actividades de vida diária(9, 13, 28).
Ainda, durante o 5th Meeting of the International Shoulder Groupforam
apresentados dados comparando o número de publicações referentes ao membro
superior e membro inferior. A razão pela qual existe um menor número de
publicações relacionadas ao membro superior não é evidente, no entanto, é claro
a necessidade de mais publicações vinculadas ao membro superior(27). Não
encontramos estudos que analisassem os efeitos da carga externa (halter) nas
forças resultantes do ombro. Assim, o objectivo deste trabalho é analisar a
força articular resultante e momento proximal durante actividades sem e com
carga externa.
MATERIAIS E MÉTODOS
O estudo contou com a participação de um indivíduo do sexo masculino, de idade
de 25 anos, 1,79 m de altura e 80 kg. Antes de qualquer envolvimento com este
trabalho, o indivíduo assinou o Termo de Consentimento Informado, consentindo
formalmente na participação desta pesquisa. A amostra foi de quatro gestos
comummente realizados durante pro-gramas de reforço muscular do membro
superior. Os gestos avaliados foram: flexão, extensão, abdução de ombro e
flexão de cotovelo. Estes gestos foram realizados sem carga externa e com uma
carga equivalente a 5% do peso corporal (PC) do indivíduo.
A aquisição dos dados cinemáticos foi feita através de cinco câmaras de vídeo
(JVC GR-DVL9800). A frequência de amostragem foi de 50 campos/s, com um tempo
de abertura das câmeras (shutter) ajustado em 1/250. No suporte de cada câmera,
foram fixados um iluminador com mesma direção óptica da câmera para aumentar o
contraste entre o marcador reflexivo e o restante da imagem. O software
Dvideowfoi utilizado para digitalização das imagens e reconstrução espacial(6).
Foi utilizado o modo semi-automático de digitalização das imagens, com os
seguintes algoritmos: inversão,erosão, getmarkers(2). A reconstrução espacial
foi feita através do método direct linear transformation(DLT)(1). O sincronismo
intra-cameras foi realizado através do canal de áudio(3). A acurácia da medida
entre dois pontos foi assumida como representativa do erro de medida do sistema
(2, 3). Dois marcadores reflexivos foram fixados em uma barra rígida, a qual
foi deslocada dentro do volume de calibração, de aproximadamente, 1,262 x 1,082
x 0,902 m3. A medida entre os marcadores (231,50 mm) foi medida através de um
paquímetro (resolução de 0,05 mm), a qual foi assumida como valor real. A
acurácia foi, então calculada através da seguinte equação:
a=√(b2 + p2)(1)
Em que
:
a= acurácia;
b= biasdo sistema, dada pela diferença entre a média dos valores (medidas
experimentais) e a medida real (medida directa);
p2= precisão do sistema, dado pelo desvio padrão da média das medidas
experimentais.
A referências anatómicas de interesse foram determinadas através do uso de
marcadores retroreflexivos em formato de esfera, com 15 mm de diâmetro. As
referências anatómicas utilizadas foram: processo espinhoso da sétima vértebra
cervical (C7); processo espinhoso da oitava vértebra dorsal (T8); processo
coracóide (PC); incisura jugular (IJ); processo xifóide (PX); articulação
esterno-clavicular (SC); articulação acrômio-clavicular (AC); ângulo medial da
escápula (AM); ângulo inferior da escápula (AI); ângulo acromial (AA); centro
de rotação da glenoumeral (GU) o qual foi estimado pelo método de regressão
linear(12); epicôndilo lateral (EL); epicôndilo medial (EM); processo estilóide
rádio (PER); e processo estilóide ulna (PEU), conforme recomendações da
International Society of Biomechanics(31).
Em virtude da interferência dos músculos do antebraço no posicionamento dos
marcadores reflexivos do EL e EM, foi utilizado um marcador técnico (MT)
posicionado no segmento do braço(18). O MT consiste de uma haste em formato de
T, contendo três marcadores retroreflexivos não colineares. Um sistema de
coordenada para cada segmento corporal (mão, antebraço, braço, escápula e
tronco) foi definido. A definição destes sistemas, bem como da descrição
cinemática respeitou as recomendações da International Society of Biomechanics
(31). As sequências de rotação, assim como o segmento proximal utilizado como
referência estão descritos na Tabela 1.
Tabela 1. Sequência de rotação adoptada para cada segmento corporal. SCG =
Sistema de Coordenada Global, SCL = Sistema de Coordenada Local. X,Y,Z
(maiúsculas) referem-se aos eixos do sistema de coordenada de referência. x,y,z
(minúsculas) referem-se aos eixos do SCL do segmento distal.
O modelo utilizado no presente trabalho é regido pelas equações de movimento
linear e angular de Newton-Euler(equações 2 e 3):
Em que:
SF= somatório das forças (vetorial);
m= massa;
acm = aceleração linear do centro de massa;
SM= somatório dos momentos (vetorial);
= taxa de variação do momento de angular;
O modelo utiliza os dados cinemáticos, cinéticos e antropométricos como
variáveis independentes. As variáveis dependentes são as Frp e Mp envolvidos.
Maiores detalhes sobre o modelo podem ser encontrados na literatura(16).
Os dados cinemáticos foram filtrados com filtro digital passa-baixa
Butterworth, ordem 3, sendo a frequência de corte determinada pelo do método da
Análise Residual, proposto por Winter(30). Por meio deste método, foi
determinado um valor de frequência de corte para cada coordenada espacial
global (X, Y, Z) de cada referência anatómica, em cada gesto realizado. As
frequências de corte variaram de 0,5 a 4,9 Hz. A coleta de dados foi realizada
em 2 etapas (sem e com carga). Cada uma destas etapas era dividida em dois
estágios (registo em vídeo estáticoe dinâmico). Durante o registo em vídeo
estático, o indivíduo se encontrava utilizando marcadores reflexivos em todas
referências anatómicas e ainda, utilizava o marcador técnico. Este estágio
permite a posterior dedução da localização dos pontos anatómicos EL e EM.
Durante o registo em vídeo dinâmico, o indivíduo se encontrava utilizando todos
marcadores com excepção daqueles do EL e EM.
O indivíduo realizou cinco repetições para cada gesto motor, primeiramente sem
carga e, posteriormente, com uma carga equivalente à 5% do seu PC. Os gestos
analisados foram: flexão de ombro, extensão de ombro, abdução de ombro e flexão
de cotovelo.
Todos estes gestos foram realizados com uma velocidade angular média de 45°/s,
a qual foi acompanhada por um metrónomo.
Para verificar a interferência da carga na execução do gesto, foi avaliada a
reprodutibilidade dos ângulos articulares do ombro (plano de elevação, ângulo
de elevação e ângulo de rotação interna e externa) para cada gesto com e sem
carga. A reprodutibilidade também foi avaliada para os ângulos articulares do
cotovelo (ângulo de flexão, ângulo de carregamento e ângulo de pronação-
supinação). A reprodutibilidade foi expressa quantitativamente através do Erro
Rms, assumida como sendo a diferença da raiz quadrada entre todos os pontos
coletados pareados nas duas etapas (sem e com carga)(13), conforme a equação:
Em que:
i= 1, 2, 3, 4, ... n;
x1= dados de cada variável analisada da etapa 1;
x2= dados de cada variável analisada da etapa 2;
RESULTADOS
Os valores de acurácia, biase precisão do sistema de videogrametria foram, em
média, de 1,7 mm, 0,5 mm, e 1,6 mm, respectivamente. Foram encontrados baixos
valores de Erro Rmspara cada gesto avaliado (Tabela 2). O maior valor de Erro
Rmsfoi encontrado para o movimento de extensão do ombro (sem e com carga):
23,11graus (para o ângulo do plano de elevação do ombro).
Tabela_2. Erro
Rms para cada ângulo de movimento articular (ombro e cotovelo) entre os gestos
sem e com carga.
Os resultados de pico de ângulo, FRP e MP para a articulação do ombro (gestos
de abdução, flexão, extensão) e cotovelo (flexão de cotovelo) estão descritos
na Tabela 3. Nesta tabela, estão descritos os valores de pico angular para cada
movimento articular, bem como o valor de pico de FRP e MP para cada eixo do
sistema de coordenada local do segmento braço e antebraço. Os valores de FRP e
MP foram maiores durante os gestos realizados com carga externa, como esperado.
Tabela_3. Valores de pico para cada ângulo de articular (ombro e cotovelo) e
cada componente de FRP e MP para os segmentos do braço e antebraço durante os
gestos analisados
A Tabela 4 apresenta a razão entre os valores de pico para cada ângulo
articular, e pico de FRP e MP entre os gestos realizados com carga e sem carga.
Esta tabela permite verificar o aumento do pico de cada variável analisada
(ângulo, FRP e MP) quando realizado o gesto com carga externa. Para os valores
de ângulo, praticamente todos os movimentos articulares atingiram picos
angulares similares (todas razões próximas de 1,0). As excepções foram: plano
de elevação (razão de 0,12) durante o movimento de abdução do ombro e ângulo de
carregamento (razão de 5,70).
Tabela_4. Razões de Pico (Carga/Sem carga) para os diferentes gestos
analisados.
As razões de pico (carga/sem carga) para a FRP e MP variaram. O menor e maior
valor de razão de pico para FRP foi de 1,69 e 5, 28, respectivamente (Tabela
4). Já o menor valor (em módulo) de razão de pico para MP foi de 0,86 e o maior
de 8, 42.
Os comportamentos de FRP e MP de cada componente (x, y, z) apresentam
variações, na medida em que a amplitude de movimento se altera.
Evidentemente que, conforme o gesto analisado, o comportamento das componentes,
bem como suas magnitudes, é diferente. As Figuras 1 e 2 apresentam o
comportamento da FRP durante a abdução de ombro sem e com carga,
respectivamente.
Figura 1. Força de reação proximal durante abdução do ombro sem carga.
Figura 2. Força de reação proximal durante abdução do ombro com carga.
Com o incremento da carga, o comportamento da componente x(anteroposterior)
torna-se distinto em relação ao seu comportamento durante o gesto sem carga.
Estes dados evidenciam um deslocamento posterior da cabeça do úmero em relação
à glenoide e uma força de estabilização por parte do manguito rotador e
estruturas cápsulo-ligamentares no sentido de anteriorização da cabeça do
úmero. Além disso, evidentemente, todas componentes da FRP apresentam maiores
magnitudes.
O comportamento das componentes do MP é similar entre os gestos com e sem
carga, com excepção da componente z, a qual adopta um comportamento mais
padronizado durante a execução do gesto com carga (Figuras 3 e 4). Através
destes resultados, fica explícito a magnitude de sobrecarga sobre as estruturas
músculo-tendíneas dos músculos abdutores e flexores de ombro, que
conjuntamente, promovem o movimento de elevação no plano escapular.
Figura 3. Momento proximal durante abdução do ombro sem carga.
Figura 4
. Momento proximal durante abdução do ombro com carga.
DISCUSSÃO
A maior parte da literatura apresenta dados referentes a gestos esportivos como
arremessos(5, 7, 8), AVDs(13) ou propulsão de cadeiras de rodas(17, 23, 26).
Não encontramos nenhum estudo voltado para atividades comumente realizadas no
treinamento de força, ou exercícios de reabilitação.
Fleisig et al.(7) identificaram que as amplitudes de movimento com maior risco
lesivo correspondiam àquelas em que ocorreram os picos de FRP e MP. Estes
autores avaliaram o gesto de arremesso do beisebol. Os picos de MP foram de 67
Nm (para rotação interna), 64 Nm (para pronação de cotovelo) e 97 Nm (para
abdução horizontal). Com relação aos picos de FRP, os valores encontrados
foram: 1.090 N de força compressiva e 400 N de força posterior.
Hong et al.(8) avaliaram o movimento do arremesso no beisebol, com objectivo
identificar o padrão de comportamento do MP do tronco, ombro e cotovelo. O pico
do MP de abdução no ombro atingiu valores próximos de 300 Nm. Feltner e Taylor
(5) avaliaram os valores de MP e FPR durante o arremesso do pólo aquático.
Próximos ao instante do arremesso, os momentos de abdução, rotação interna e
flexão horizontal atingiram, em média, magnitudes próximas de 60 Nm. Os estudos
citados acima apresentam valores de MP muito acima daqueles encontrados no
presente estudo. No entanto, os gestos analisados são balísticos, o que
interfere de forma muito clara na magnitude da FRP e do MP.
Os resultados do presente estudo apresentaram razões de pico de força próximas
de 2,0 (no eixo y ' longitudinal ' do braço) para os movimentos do ombro
(flexão, abdução e extensão). Isto ocorreu, pois a FRP durante os movimentos
sem carga corresponde à força gravitacional e inercial do segmento do braço(16,
32). Na medida em que o gesto foi executado em baixa velocidade, a força
inercial é mínima, enquanto que a força gravitacional corresponde,
aproximadamente, a 5% do peso corporal. A força externa aplicada, nos gestos
com carga, foi de 40 N, a qual também equivale a 5% do PC. Assim, o pico da FRP
longitudinal dobrou para o segmento do braço. No entanto, é importante destacar
que, para as outras componentes x e z, isso não ocorreu (Tabela_4).
Provavelmente, este é o dado que mereça mais atenção no presente trabalho, pois
isso demonstra que o pico de FRP não corresponde, necessariamente, a um aumento
proporcional em relação à carga aplicada. Isto tem especial relevância na
reabilitação de disfunções articulares do membro superior.
O acréscimo da magnitude do MP em suas diferentes componentes se deve,
exclusivamente, à orientação do segmento no espaço. Na medida em que os gestos
foram realizados em velocidades baixas e constantes (foram monitoradas por
metrónomo), o MP representa a actividade muscular dos agonistas do movimento
(16, 30, 32). Assim, o aumento da carga externa é acompanhando por um aumento
do momento produzido pelos músculos do ombro. Três razões de pico do MP merecem
especial atenção: a razão de pico do eixo y durante a extensão de ombro, a
razão de pico do eixo z durante a abdução de ombro e a razão de pico em torno
do eixo y durante a flexão de cotovelo. Estas apresentaram valores de razão de
pico próximos de 8,0. No entanto, o pico de MP para estes eixos, durante os
gestos sem e com carga, foram muito baixos (Tabela_3), não representando
aumentos do MP consideráveis. A realização dos gestos com carga apresentou
picos de ADM muito similares aos gestos realizados sem carga (Tabelas_2 e 4).
Os valores de Erro Rmsforam, para maior parte dos gestos, bastante baixos entre
os gestos sem e com carga. Valores de Erro Rmsmaiores ficaram por conta da R1
para os movimentos de flexão e extensão do ombro. Isso sugere que o padrão de
execução do movimento não foi substancialmente alterado com a inserção da carga
externa de 5% do PC. Além disso, razões de pico angulares próximos de 1,0 foram
encontradas para praticamente todos os gestos. A exceção foi o ângulo de
carregamento do cotovelo, o qual, sem carga, atingiu um pico de 0,70 grau e,
com carga, 3,97 graus. Apesar de a razão de pico ter sido grande, a variação em
termos absolutos foi muito pequena, visto que o Erro Rmsfoi de 1,59 graus. Este
estudo envolveu a análise de gestos realizados por apenas um indivíduo. No
entanto, apresenta resultados importantes sobre o padrão de comportamento e
aumento das FRP e MP. É apresentado um método para quantificação e análise das
forças articulares e momentos proximais. Os resultados do presente estudo
reforçam conclusões de outros estudos, os quais afirmam a necessidade de se
estabelecer uma base de dados normativos cinemáticos e cinéticos, para
actividades realizadas com os membros superiores(9, 13, 27).
Os resultados sugerem que o aumento da carga externa equivalente a 5% do PC foi
suficiente para acarretar em aumentos na magnitude da força de reacção proximal
e momento proximal do ombro e cotovelo. No entanto, o dado mais relevante é,
justa-mente, o aumento aleatório destas forças e momentos. Não encontramos
aumentos proporcionais da força e momento proximal para todos componentes de
força e momento proximal. Além disso, a execução do gesto não acarretou em
variação expressiva do padrão de movimento articular.
