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09/11/2009 1 Laboratório de Pesquisa em Biomecânica Centro Universitário do Norte MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO NA BIOMECÂNICA Prof. Ms. Ewertton BezerraProf. Ms. Ewertton Bezerra O CORPO EM MOVIMENTO • QUAIS VARIÁVEIS DEVEM SER ANALISADAS? • QUAIS INSTRUMENTOS PODEM SER USADOS? • QUAIS O PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS?Como fazer um estudo biomecânico? ANÁLISE EM BIOMECÂNICAANÁLISE EM BIOMECÂNICA Métodos de investigação Cinemetria EletromiografiaDinamometria Deslocamentos Velocidades Acelerações Características físicas dos segmentos Forças Externas e Internas Atividade elétrica dos músculos Antropometria ANTROPOMETRIA ANTROPOMETRIA Utilização de dados antropométricos para construção de modelos que prevêem forças, espaços necessários para otimização do trabalho, alcance dos membros para idealização de ambientes e ferramentas adequadas. ANTROPOMETRIA Utilização de dados antropométricos para construção de modelos que prevêem forças, espaços de deslocamento em movimentos esportivos, centro de rotações, centro de massas, o que pode facilitar a confecção de implementos esportivos. 09/11/2009 2 ANTROPOMETRIA • Localização dos centros articulares • Peso relativo dos segmentos • Comprimentos relativos dos segmentos • Localização dos centros de massa e raio de giro • Momentos de inércia Porcentagem relativa dos segmentos * (Webb Associates, 1978) Localização do Centro de Massa Comprimento dos segmentos do corpo como proporção da estatura (Drillis & Contini ) Amplitude articular máxima das articulações do corpo humano CENTRO DE CENTRO DE GRAVIDADEGRAVIDADE 09/11/2009 3 CENTRO DE GRAVIDADE Ponto imaginário no qual se concentra toda massa do corpo sobre a qual age a força gravitacional. LOCALIZAÇÃO DO CENTRO DE GRAVIDADE LOCALIZAÇÃO DO CENTRO DE GRAVIDADE • Homem: 57% da estatura • Mulher: 55% da estatura Já que a localização do CG do corpo humano é conhecida qual a importância do seu estudo? CARACTERÍSTICAS “MORFOLÓGICAS” E A LOCALIZAÇÃO DO CG CARACTERÍSTICAS “MORFOLÓGICAS” E A LOCALIZAÇÃO DO CG 09/11/2009 4 Movimentação do corpo provoca mudanças na localização do CG EQUILIBRIO SOBRECARGA EQUILÍBRIO EQUILÍBRIO • CAPACIDADE DE MANTER O CORPO EM UMA DETERMINADA POSIÇÃO • Corpo estará em equilíbrio quando a projeção do CG incidir DENTRO da BASE DE APOIO PARÂMETROS QUE AFETAM A ESTABILIDADE • BASE DE APOIO • POSIÇÃO VERTICAL DO CG • CG X BORDA DA BASE DE APOIO • MASSA CORPORAL • ATRITO MÁXIMA ESTABILIDADE 09/11/2009 5 • Deslocamento do CG no eixo AP • Instabilidade • Alterações posturais • Aumento da Sobrecarga na Coluna SALTO ALTO POSIÇÕES INSTÁVEIS GESTAÇÃO E A COLUNA VERTEBRAL Garantir o transporte de carga de forma efetiva e segura MOCHILAS MOCHILAS 09/11/2009 6 INFLUÊNCIA DA MOCHILA NO TRANSPORTE DE CARGA INCLINAÇÃO DO TRONCO QUADRIL MOTA et al. (2002) • Crianças (8,66 anos) • Ensino Fundamental • Mochila de alça dupla • Carga - 12% do PC (determinado em estudo prévio) QUAL A INFLUÊNCIA DA MOCHILA ??? MOTA et al. (2002) INFLUÊNCIA DA MOCHILA NO TRANSPORTE DE CARGA PELVE JOELHO MOTA et al. (2002) INFLUÊNCIA DA MOCHILA NO TRANSPORTE DE CARGA INCLINAÇÃO DO TRONCO QUADRIL MOTA et al. (2002) 60% das crianças entrevistadas relataram dores em função do uso da mochila. RESULTADO DA ENTREVISTA MOTA et al. (2002) CARGA DEVE SER TRAZIDA PRÓXIMA AO CORPO 09/11/2009 7 CARGAS DEVEM SER TRANSPORTADAS DE FORMA SIMÉTRICA CARGA QUE ULTRAPASSAM A CAPACIDADE DO TRABALHADOR DEVEM SER TRANSPORTADAS A PARTIR DA UTILIZAÇÃO DE EQUIPAMENTOS AUXILIARES CINEMETRIA CONJUNTO DE MÉTODOS QUE PERMITEM A DETERMINAÇÃO DAS VARIÁVEIS CINEMÁTICAS APLICAÇÕES DA CINEMETRIA NA ERGONOMIA SUBIDA DE DEGRAUS Roesler et al. (2002) ÂNGULO DE FLEXÃO DO JOELHO NA SUBIDA DE DEGRAU S1 S2 S3 S4 Estatura 1,82 1,77 1,68 1,55 CMI 0,89 0,84 0,74 0,72 Plano 17,43 18,24 20,14 38,35 20 cm 67,42 49,15 65,89 64,35 40 cm 105,24 75,35 102,19 101,78 60 cm 129,06 97,67 126,19 116,15 Roesler et al. (2002) 09/11/2009 8 RISCOS... FUNCIONÁRIOS SÃO ESTIMULADOS A PRATICAR EXERCÍCIOS FÍSICOS UMA DAS MAIS POPULARES FORMAS DE MELHORAR O CONDICIONAMENTO FÍSICO.... Atividades de locomoção • Otimização de parâmetros cardiovasculares • Fortalecimento das estruturas do aparelho locomotor – Ossos – Músculos – Articulações • Benefícios sócio-afetivos BENEFÍCIOS PARA A SAÚDE POR QUE TODAS AS VEZES QUE CAMINHO SINTO DORES NO TORNOZELO, JOELHO E QUADRIL ??? FORÇAS HORIZONTAIS E O MOVIMENTO DO TORNOZELO SUPINAÇÃO NEUTRA PRONAÇÃO 09/11/2009 9 NORMAL SUPINADOR PRONADOR MOVIMENTOS DE SUPINAÇÃO E PRONAÇÃO MOVIMENTOS EXCESSIVOS E A LESÕES •LESÕES NO TORNOZELO •LESÃO NO JOELHO •LESÃO NO QUADRIL •LESÃO NA COLUNA COMO MEDIR AS VARIÁVEIS CINEMÁTICAS ??? 09/11/2009 10 CINEMATOGRAFIA • USO DE CÂMERAS CINEMATOGRÁFICAS • O MOVIMENTO É REGISTRADO EM QUADROS INDIVIDUAIS CINEMATOGRAFIA VANTAGENS • FLEXIBILIDADE (2D OU 3 D) • LIVRE DE EFEITO RETROATIVO • PRECISÃO • RESOLUÇÃO EFEITO RETROATIVO? INTERFERÊNCIA DO INSTRUMENTO/MÉTODO NO MOVIMENTO ANALISADO CINEMATOGRAFIA DESVANTAGENS • FEEDBACK LENTO • NECESSIDADE DE PROCESSAR A IMAGEM (DIGITALIZAÇÃO) • NECESSIDADE DE RECONSTRUIR TRIDIMENSIONALMENTE A IMAGEM (DLT) • CUSTO SISTEMAS OPTOELETRÔNICOS AS COORDENADAS DA IMAGEM SÃO IDENTIFICADAS E DIGITALIZADAS AUTOMATICAMENTE. SISTEMAS OPTOELETRÔNICOS PONTOS DE INTERESSE RECEBEM MARCAS ATIVAS (FONTES DE LUZ) OU PASSIVAS (REFLETORES DE LUZ) 09/11/2009 11 SISTEMAS OPTOELETRÔNICOS MARCAS SÃO CAPTADAS POR UM RECEPTOR (CÂMERAS) ACOPLADO A UM SISTEMA DE MICRO PROCESSAMENTO Câmera Óptico-eletrônica • Captação de luz infravermelha. Câmera Óptico-eletrônica SISTEMAS OPTO-ELETRÔNICOS SOFTWARE FACILITA O TRATAMENTO DOS DADOS UTILIZAÇÃO DE CAMERAS DE VÍDEO PARA A ANÁLISE DO MOVIMENTO LABORAL ETAPAS 1. POSICIONAMENTO DO INSTRUMENTO 2. CALIBRAÇÃO 3. PREPARAÇÃO DO VOLUNTÁRIO 4. REALIZAÇÃO DO MOVIMENTO 09/11/2009 12 1. POSICIONAMENTO DO INSTRUMENTO � Boa visualização � Posição fixa (tripé) Etapas do processo de aquisição de imagens Etapas do processo de aquisição de imagens 2. PREPARAÇÃO DO VOLUNTÁRIO � Marcação dos pontos de interesse 1cm = 1m 1 m1 m1 m1 m 3. CALIBRAÇÃO Etapas do processo de aquisição de imagens SISTEMA DE CALIBRAÇÃO DO VICON 4. REALIZAÇÃO DO MOVIMENTO Etapas do processo de aquisição de imagens Etapas do processo de análise de imagens TV - Vídeo• TV - VÍDEO � Projeção da imagem no monitor � Fixação das transparências � Imagem pausada avançando quadro a quadro • FILMADORA DIGITAL � Placa de captura � Software para digitalização dos pontos de interesse Projeção da imagem no monitor 09/11/2009 13 LIMITAÇÕES FREQUÊNCIA DE AMOSTRAGEM x FREQUÊNCIA DO MOVIMENTO Taxa de aquisição deve ser pelo menos duas vezes maior que a maior frequência do sinal TEOREMA DA AMOSTRAGEM CAMERAS DIGITAIS Coletando Dados (para a maioria dos instrumentos da cinemetria)ANALISE DO MOVIMENTOANALISE DO MOVIMENTO http://futebol.incubadora.fapesp.br/portalColetando Dados (para a maioria dos instrumentos da cinemetria) http://futebol.incubadora.fapesp.br/portal ANALISE DO MOVIMENTOANALISE DO MOVIMENTO Entender como o movimento ocorre é o foco... 09/11/2009 14 Entender como o movimento ocorre é o foco... AVALIAÇÃO PÓS RECONSTRUÇÃO DO LCA AMPLITUDE ARTICULAR DIRETA INDIRETA 2007 ELETROMIOGRAFIA ESTUDO DE PARÂMETROS RELACIONADOS A ATIVIDADE MUSCULAR, A PARTIR DA DETERMINAÇÃO DA SOMATÓRIA DOS POTENCIAIS DE AÇÃO DO MÚSCULO ESQUELÉTICO QUAL A UTILIDADE DE CONHECER PARÂMETROS RELATIVOS À ATIVIDADE MUSCULAR ??? ATIVIDADE ELETROMIOGRÁFICA EM FUNÇÃO DO MOBILIÁRIO 09/11/2009 15 EMG NA ATIVIDADE AQUÁTICA COMO DETERMINAR AS AÇÕES MUSCULARES ? ELETROMIOGRAFIA ATIVO X PASSIVO • Eletrodo Ativo: • Amplificador diferencial. • Funciona como filtro pois não amplifica os sinais de freqüência constante que passam por ele. ELETRODO DE SUPERFÍCIE • Eletrodo diferencial. • Pré-filtragem e pré-amplificação. • Diminui ruído da rede elétrica e diminui artefato de movimento do cabo. BIPOLAR ELETRODO DE SUPERFÍCIE • Eletrodo duplo diferencial. • Eficiente para diminuir crosstalk. • Dupla subtração: sinais de baixa magnitude serão cancelados. TRIPOLAR 09/11/2009 16 ELETROMIOGRAFIA ELETROMIOGRAFIA Como trabalhar com músculos profundos??? ELETRODO DE AGULHA • Detecta potenciais de ação de unidades motoras pequenas e pode ser reposicionado dentro do músculo. ELETRODO DE AGULHA ELETRODO REFERENCIAL • Referência para o input do eletrodo diferencial. • Posicionar em tecido eletricamente neutro (proeminência óssea). • Permitir bom contato elétrico com a pele (eletrodo grande). A ELETROMIOGRAFIA É UMA TÉCNICA SEDUTORA POIS PERMITE ACESSO AOS MECANISNOS ELETRO-FISIOLÓGICOS ENVOLVIDOS NA CONTRAÇÃO MUSCULAR E NA PRODUÇÃO DE MOVIMENTO (De Luca, 1997) 09/11/2009 17 ELETROMIOGRAFIA 0,0 0,5 1,0 1,5 -10 -5 0 5 10 EM G (U A) Tempo (s) FÁCIL DE ABUSAR ! FÁCIL DE USAR QUAL PORÇÃO “PEGA MAIS” ? . A EMG como parâmetro para predizer a força 09/11/2009 18 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 -4 -2 0 2 4 contração forte contração fracarepouso (1) 0 2 4 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 (2) traçado normal de repouso (1)(1) TRAÇADO DE INTERFERÊNCIA (4) contração forte 6 8 10 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 (3) contração fraca 14 16 18 -4 -2 0 2 4 EMG x FORÇA EMG x FORÇA EMG x FORÇA Dinamometria DINAMOMETRIA �MEDIÇÃO DAS FORÇAS QUE PRODUZEM O MOVIMENTO �QUAIS FORÇAS PODEM SER ANALISADAS? � Forças externas � Forças internas �COMO DETERMINÁ-LAS? � Forças externas: MEDIÇÃO � Forças internas: CÁLCULO FORÇAS EXTERNAS � FORÇA DE REAÇÃO DO SOLO � PRESSÃO PLANTAR 09/11/2009 19 PARA QUE MENSURAR AS FORÇAS EXTERNAS ??? Adaptado de NIGG, 1985; e NIGG & BOBBERT, 1990) EfeitosEfeitosEfeitosEfeitos biopositivobiopositivobiopositivobiopositivo EfeitosEfeitosEfeitosEfeitos bionegativobionegativobionegativobionegativo Manutenção dasManutenção dasManutenção dasManutenção das característicascaracterísticascaracterísticascaracterísticas biomecânicas dasbiomecânicas dasbiomecânicas dasbiomecânicas das estruturas biológicasestruturas biológicasestruturas biológicasestruturas biológicas Otimização dasOtimização dasOtimização dasOtimização das característicascaracterísticascaracterísticascaracterísticas biomecânicas dasbiomecânicas dasbiomecânicas dasbiomecânicas das estruturas biológicasestruturas biológicasestruturas biológicasestruturas biológicas LesõesLesõesLesõesLesões Somatória das forças e momentosSomatória das forças e momentosSomatória das forças e momentosSomatória das forças e momentos agindo nas estruturas doagindo nas estruturas doagindo nas estruturas doagindo nas estruturas do aparelho locomotoraparelho locomotoraparelho locomotoraparelho locomotor CARGAS MECÂNICASCARGAS MECÂNICASCARGAS MECÂNICASCARGAS MECÂNICAS CONTROLE DAS CARGAS MECÂNICASCONTROLE DAS CARGAS MECÂNICASCONTROLE DAS CARGAS MECÂNICASCONTROLE DAS CARGAS MECÂNICAS COMO MENSURAR A FRS ??? PLATAFORMA DE FORÇA 09/11/2009 20 Plataforma • Pontes feitas Detalhe: Fios indicativos dos momentos. Confecção da PlataformaConfecção da Plataforma Plataforma extensométrica: • Strain Gauges • (Extensômetro de Resistência Elétrica): • O nome extensômetro de resistência elétrica significa medidor de formação (mecânica) relativa através de determinação da variável da resistência elétrica. Confecção da PlataformaConfecção da Plataforma PLATAFORMAS DE FORÇA PlataformasPlataformasPlataformasPlataformas dededede forçaforçaforçaforça piezoelétricaspiezoelétricaspiezoelétricaspiezoelétricas 09/11/2009 21 PLATAFORMA DE FORÇA • Garantir suficiente tempo de adaptação. • Resultados obtidos em esteira rolante devem ser extrapolados com cautela. • Alteração de parâmetros cinemáticos • Possível alteração de parâmetros dinâmicos. PLATAFORMA DE FORÇA - ANÁLISE • Plataforma de Força →→→→ Força de Reação do Solo (FRS) • Mede a força de reação do solo e calcula o ponto de aplicação da força (Centro de Pressão). • 3ª Lei de Newton � “Lei da ação e reação” FORÇA DE REAÇÃO DO SOLO – Fy: Vertical – positivo (apoio) e nulo (fase aérea) – Fx: Antero-posterior – desaceleração e aceleração. – Fz: Médio-lateral – pronação e supinação. APLICAÇÕES • Otimização de parâmetros cardiovasculares • Fortalecimento das estruturas do aparelho locomotor – Ossos – Músculos – Articulações • Benefícios sócio-afetivos BENEFÍCIOS PARA A SAÚDE Qual é a solicitação mecânica imposta nas atividades de locomoção ??? LOCOMOÇÃO 09/11/2009 22 Força max= 1,5 PCForça max= 1,5 PC –Idade avançada –Sedentarismo crônico (***) SITUAÇÕES DELICADAS Envelhecimento do tecido ósseoEnvelhecimento do tecido ósseo BIOMECÂNICA DO TECIDO ÓSSEO DO IDOSO SITUAÇÕES DELICADAS FRS NA MARCHA DE OBESOS (Messier, 1996) 09/11/2009 23 CORRIDA É UMA ATIVIDADE DE ALTO IMPACTO??? CORRER MATA !!! SOBRECARGA NA CORRIDA 2,5 PC -500 0 500 1000 1500 2000 2500 y z x Esta carga é compatível com os limites de tolerância das estruturas biológicas? Fy =20 PC t=0,009 s PRESSÃO 09/11/2009 24 O QUE É PRESSÃO? Pressão não é sinônimo de força? A INCRÍVEL DEMONSTRAÇÃO DA FORÇA DA MENTE !!! P = F / A (Pa) COMO MENSURAR A PRESSÃO ??? PALMILHAS PALMILHAS PLATAFORMASPLATAFORMAS 09/11/2009 25 PLATAFORMASPLATAFORMAS PLATAFORMASPLATAFORMAS SISTEMA PARA MENSURAÇÃO DA PRESSÃO PLANTAR SENSORES ESPECIAIS Pliance QUAL É A CARACTERÍSTICA DO SINAL OBTIDO? 09/11/2009 26 AJUSTES POSTURAIS - SENTADO 09/11/2009 27 POR QUE SINTO TANTAS DORES NA COLUNA? FORÇAS INTERNAS O QUE SÃO FORÇAS INTERNAS? SÃO AS FORÇAS GERADAS PELAS PRÓPRIAS ESTRUTURAS BIOLÓGICAS QUAL É A SOLICITAÇÃO MECÂNICA APLICADA NAS ESTRUTURAS DO APARELHO LOCOMOTOR ? QUAL É A SOLICITAÇÃO MECÂNICA APLICADA NAS ESTRUTURAS DO APARELHO LOCOMOTOR ? COMPRESSÃO PATELO-FEMORAL QUAL SERIA A COMPRESSÃO PATELO-FEMORAL ? 09/11/2009 28 COMPRESSÃO PATELO-FEMORAL COMPRESSÃO PATELO-FEMORAL COMO MEDIR AS FORÇAS INTERNAS? COMO DETERMINAR A SOBRECARGA MECÂNICA ??? Procedimento para medição das forças internas Komi et al. (1987)Komi et al. (1987) Procedimento para medição das forças internas • Colocação de um transdutor em forma de “E” em 1 sujeito (PK) • Testes no oitavo dia • Dor possibilitava apenas andar lentamente KOMI et al (1987): Primeira fase 09/11/2009 29 KOMI et al (1987): Segunda fase • Colocação de um novo transdutor (“fivela”) em 5 sujeitos • Testes após 3 horas • Movimentos: Andar, Correr, e Saltar DETERMINAÇÃO DA COMPRESSÃO DISCAL NACHEMSON & ELFSTRÖM (1970) DETERMINAÇÃO DA COMPRESSÃO DISCAL Wilke et al. (1999) COMPRESSÃO DISCAL Wilke et al. (1999) DETERMINAÇÃO DA COMPRESSÃO DISCAL Wilke et al. (1999) DETERMINAÇÃO DA COMPRESSÃO DISCAL MEDIR é difícil pois procedimento é muito INVASIVO, apesar do domínio da técnica 09/11/2009 30 COMO FAZER ENTÃO ??? •CÁLCULO: Utilização de variáveis passíveis de serem medidas. –Variáveis dinâmicas –Variáveis cinemáticas –Variáveis antropométricas COMO CALCULAR TANTAS VARIÁVEIS ? � Diversos músculos agonistas � Músculos antagonistas � Força passiva exercidas pelos ligamentos e tendões PROBLEMAS!!! MODELO Permite limitar o número de incógnitas, através da simplificação das estruturas do aparelho locomotor MODELO PARA CÁLCULO DAS FORÇAS INTERNAS NA ARTICULAÇÃO DO JOELHO 09/11/2009 31 MODELO PARA CÁLCULO DAS FORÇAS INTERNAS NA ARTICULAÇÃO DO JOELHO CINEMÁTICA DOS SEGMENTOS E ARTICULAÇÕES MODELO MECÂNICO DO APARELHO MÚSCULO-ESQUELÉTICO FORÇAS EXTERNAS e MOMENTOS LÍQUIDOS MODELO FISIOLÓGICO DO MÚSCULO PROPRIEDADES INERCIAIS DOS SEGMENTOS E ARTICULAÇÕES DADOS GEOMÉTRICOS DOS SEGMENTOS E ARTICULAÇÕES DETERMINAÇÃO DAS FORÇAS E MOMENTOS INTERSEGMENTARES REDUÇÃO DINÂMICA INVERSA MODELO PARA CÁLCULO DAS FORÇAS INTERNAS NA ARTICULAÇÃO DO COTOVELO Número de incógnitas supera o número de equações. INDETERMINÂNCIA MATEMÁTICA CINEMÁTICA DOS SEGMENTOS E ARTICULAÇÕES MODELO MECÂNICO DO APARELHO MÚSCULO-ESQUELÉTICO FORÇAS EXTERNAS e MOMENTOS LÍQUIDOS MODELO FISIOLÓGICO DO MÚSCULO PROPRIEDADES INERCIAIS DOS SEGMENTOS E ARTICULAÇÕES DISTRIBUIÇÃO DAS FORÇAS MUSCULARES E ARTICULARES DADOS GEOMÉTRICOS DOS SEGMENTOS E ARTICULAÇÕES DETERMINAÇÃO DAS FORÇAS E MOMENTOS INTERSEGMENTARES DINÂMICA INVERSA - OTIMIZAÇÃO 09/11/2009 32 APLICAÇÕES “EVOLUÇÃO” DA POSTURA DO HOMEM ! QUAL É A CONSEQÜÊNCIA? GRANDE PARTE DAS TAREFAS RELACIONADAS AO TRABALHO É EXECUTADA NA POSIÇÃO SENTADA DESCONFORTO / LESÃO NA POSIÇÃO SENTADA WOJTOWICZ(1998) PARKKOLA et al. (1993) Hashemi et al. (1997) • UM DOS PRINCIPAIS FATORES DE INCAPACIDADE PARA O TRABALHO • Gastos anuais nos EUA – US$ 25 bilhões: no tratamento e prevenção – US$ 11 bilhões: Indenização LOMBALGIA • DATASUS (2003): Lombalgia provocou uma média de 10.000 internações \ ano pelo Sistema Único de Saúde no período 1998-2002. 09/11/2009 33 • CONSELHO FEDERAL DE FISIOTERAPIA (2003): – TERCEIRA maior causadora de aposentadoria – PRIMEIRA causa de afastamento do trabalho. LOMBALGIA TORQUES GERADOS NA COLUNA LOMBAR • AJUSTAR O POSTO DE TRABALHO • ALTERNAR TAREFAS • PLANEJAR PAUSAS • EXERCITAR-SE (melhora circulação, posterga a fadiga e o desconforto) • . ESTRATÉGIAS PARA REDUZIR A COMPRESSÃO DISCAL CARACTERÍSTICAS DO MOBILIÁRIO . (Anderson et al (1974). . (Anderson et al (1974). COMPRESSÃO DISCAL EM FUNÇÃO DO MOBILIÁRIO
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