analise clinica de marcha

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2 ENCONTRO NACIONAL DE BIOMECNICA H. Rodrigues et al. (Eds.) vora, Portugal, 8 e 9 de Fevereiro, 2007

ANLISE CLNICA DA MARCHA EXEMPLO DE APLICAO EM LABORATRIO DE MOVIMENTODaniela Sofia S. Sousa*, Joo Manuel R. S. Tavares*, Miguel Velhote Correia**, Emlia Mendes**** INEGI Instituto de Engenharia Mecnica e Gesto Industrial, Porto, Portugal, FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal e-mail: [email protected],pt, [email protected] ** INEB Instituto de Engenharia Biomdica, Porto, Portugal, FEUP e-mail: [email protected] *** CRPG Centro de Reabilitao Profissional de Gaia, Arcozelo, Portugal e-mail: [email protected]

Palavras-Chave: Biomecnica, viso computacional, anlise clnica da marcha. Resumo. Neste artigo pretende-se introduzir os conceitos principais da anlise quantitativa da marcha como uma ferramenta de apoio prtica clnica. Assim, para as vrias reas de estudo, cinemtica, cintica, presses, actividade muscular, apresenta-se a respectiva importncia para a avaliao clnica, abordam-se meios e mtodos para aquisio, tratamento e apresentao das diversas variveis biomecnicas. Neste artigo d-se ainda a indicao da aplicao da anlise quantitativa da marcha no caso concreto do laboratrio do movimento do CRPG Centro de Reabilitao Profissional de Gaia. 1 INTRODUO A anlise clnica da marcha usualmente considerada como sendo a medio, o processamento e a interpretao sistemtica dos parmetros biomecnicos que caracterizam a locomoo humana e facilitam a identificao de limitaes no movimento, de maneira a identificar adequados procedimentos de reabilitao [1]. Segundo [2], o termo anlise clnica da marcha deveria apenas ser aplicado ao estudo realizado por laboratrios capazes de adquirir e tratar de forma instrumentada a informao cinemtica, cintica, energtica e mioelctrica do movimento, integrando pessoal especializado capaz de interpretar clinicamente esta informao. De acordo com [2, 3], os mtodos predominantes na anlise clnica da marcha so a medio da cinemtica, da cintica e da actividade muscular durante o ciclo de marcha. A

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presso plantar pode no ser considerada uma componente bsica da anlise clnica da marcha, porm a medio das presses plantares durante a marcha uma mais-valia avaliao clnica do sujeito [2]. A cinemtica consiste na caracterizao do movimento sem referncias s foras envolvidas. A cintica descreve as foras internas e externas que actuam num corpo em movimento. A electromiografia serve para definir a actividade muscular que controla os movimentos durante a marcha. A presso plantar permite a anlise pormenorizada da distribuio da carga entre a planta do p e a respectiva superfcie de contacto. Neste artigo, pretende-se efectuar uma descrio dos principais conceitos envolvidos na anlise quantitativa da marcha, apresenta-se o laboratrio do movimento do CRPG e pretendese contribuir para a compreenso do papel dos algoritmos de processamento e anlise de imagem no processo de quantificao das variveis biomecnicas caracterizadoras da marcha. 2 CINEMTICA Na anlise clnica da marcha, a cinemtica usada para o clculo linear e angular dos deslocamentos, das velocidades e das aceleraes dos segmentos corporais [4]. Tipicamente, para o clculo da cinemtica necessrio adquirir a trajectria 3D de marcadores colocados no corpo do sujeito, geralmente sobre a sua pele, usando trs ou mais cmaras vdeo digitais. Normalmente, so recolhidas imagens do sujeito em posio esttica e durante o movimento. Posteriormente, estas imagens so processadas pelo sistema computacional e a informao cinemtica apresentada ao utilizador. Segundo [1], a maioria dos softwares comerciais usa variaes do Conventional Gait Model para o clculo da cinemtica, por exemplo, [5, 6]. A posio e orientao globais no espao de cada segmento corporal so obtidas atravs da relao entre um referencial local rigidamente associado ao mesmo segmento e um referencial global previamente definido. A posio e orientao relativas so calculadas de forma semelhante posio e orientao globais, mas estabelecem-se relaes entre dois referenciais locais vizinhos [6]. Em [7, 8] podem ser encontradas as recomendaes da Sociedade Internacional de Biomecnica para o clculo da posio/orientao globais e relativas dos segmentos corporais. A anlise dos ngulos articulares uma etapa importante para a avaliao clnica do sujeito. Os ngulos com maior relevncia clnica so: a obliquidade-inclinao-rotao plvica, aduo/abduo-flexo/extenso-rotao da anca, flexo/extenso do joelho, dorsiflexo/flexo plantar do tornozelo e rotao do p, [6]. No usual a interpretao clnica das velocidades/aceleraes lineares/angulares calculadas a partir dos referenciais segmentais. 3 CINTICA A anlise cintica da marcha permite obter as foras de reaco nas articulaes, os momentos articulares, a potncia mecnica e o trabalho mecnico [4]. Para calcular a cintica usual recorrer-se dinmica inversa. A dinmica inversa usa o conhecimento da cinemtica do movimento (aceleraes/velocidades lineares e angulares), da

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informao antropomtrica dos segmentos (centro de massa, massa, momento de inrcia, dimenses) e das foras externas aplicadas ao sujeito em movimento (foras de reaco do solo resultante da interaco p/solo) para calcular as foras de reaco e momentos articulares [4]. Existem diversos modelos dinmicos para o clculo da cintica, por exemplo, [9, 10]; porm, segundo [9], usa-se normalmente o modelo de Diagrama de Corpo Livre, [10]. De acordo com [11], os momentos articulares e as potncias mecnicas articulares so a informao mais relevante da anlise biomecnica da marcha. Os momentos articulares indicam que as estruturas que atravessam a articulao em estudo esto sob tenso e qual o grau da mesma [3]. Os momentos indicam quais os tipos de msculos cuja aco predominante para um dado instante da marcha: se positivo, msculos flexores; se pelo contrrio o seu valor negativo, msculos extensores. Atravs da potncia mecnica possvel saber se os msculos esto exercer uma aco concntrica (P > 0), uma aco excntrica (P < 0) ou uma aco isomtrica (P = 0), [3]. Para alm da avaliao dos parmetros descritos, a reabilitao passa por garantir que a marcha seja uma aco o mais eficientemente possvel em termos energticos, [12]. Uma forma de medir a energia despendida durante a marcha atravs do trabalho mecnico, calculado usando a informao recolhida pela plataforma de foras e o deslocamento do centro de massa do corpo, [12]. 4 ELECTROMIOGRAFIA A electromiografia mede a actividade elctrica resultante da activao dos msculos esquelticos, os quais so responsveis pelo suporte e movimento do esqueleto, [13]. Para medir o sinal electromiogrfico (EMG) podem ser usados elctrodos colocados no interior do msculo (electromiografia de profundidade) e elctrodos colocados sobre a pele (electromiografia de superfcie). Segundo [14] dos 28 principais msculos que controlam cada membro inferior, a maioria so msculos superficiais podendo a sua actividade ser adquirida custa do electromiografia de superfcie. Num sistema de aquisio e processamento do sinal electromiogrfico a etapa analgica assegurada por elctrodos, amplificador, conversor A/D e um computador. A parte digital implica que o sinal electromiogrfico em bruto seja filtrado digitalmente e processado no tempo e em frequncia. Sobre algumas recomendaes europeias quanto aquisio e processamento do sinal EMG de superfcie ver, por exemplo, [15]. Embora se possam extrair algumas caractersticas importantes, como amplitude, durao e frequncia, do sinal EMG em bruto para o estudo do padro da actividade dos msculos, uma avaliao mais precisa requer uma anlise quantitativa do sinal electromiogrfico. Tipicamente, usam-se dois tipos de anlise: no domnio temporal, como a amplitude mdia do sinal rectificado, a raiz quadrada do valor quadrtico mdio do sinal, o integral do sinal electromiogrfico, etc.; e no domnio das frequncias, tal como a frequncia mdia, a mediana da frequncia, a moda da frequncia, a frequncia mxima, etc.. A aplicao da electromiografia anlise clnica da marcha ainda no uma tarefa trivial, pois so inmeras as variveis que a influenciam, quer a de superfcie quer a de profundidade, e h dificuldades em explicar a relao entre o sinal EMG medido e os processos fisiolgicos

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que o originam. Contudo, por exemplo, Jacquelin Perry [14] interpreta clinicamente o incio e o fim da actividade muscular relativamente s diferentes fases da marcha. 5 PRESSES Existem diversos parmetros teis anlise clnica da presso plantar: centro de presso, picos de presso/fora de reaco, integrais de presso/fora de reaco, tempos de contacto e reas de contacto. A importncia e interpretao de cada um destes parmetros dependem da aplicao em questo. Para a seleco do sistema de aquisio da presso plantar de elevada importncia o conhecimento da influncia da disposio dos elementos sensoriais e do princpio de medio na performance do prprio sistema. Em [16] so apresentados alguns dos requisitos tcnicos mnimos para um desempenho satisfatrio do sistema de presso plantar. Note-se que, durante a aquisio/interpretao dos resultados obtidos das presses plantares devem-se tambm conhecer e controlar os factores cinemticos e antropomtricos intervenientes no padro da presso; como por exemplo, velocidade da marcha, tamanho do passo, altura, peso, idade e gnero do indivduo, etc.. Como j havia sido previamente referido, a relevncia para a anlise clnica da marcha dos vrios parmetros obtidos atravs da aquisio e tratamento da presso plantar depende da aplicao em questo. Por exemplo, em [17] referido que para analisar a efectividade de suportes plantares tem sido frequentemente considerado o centro de presso. J para o estudo, a preveno e o tratamento de ulceraes relacionadas com o p diabtico, os picos mdios de presso so uma varivel com elevado interesse, [18]. 6 LABORATRIO DE MOVIMENTO DO CRPG A anlise clnica da marcha processa-se habitualmente em espaos prprios que integrem de uma forma sincronizada os sistemas cinemtico, cintico, electromiogrfico e baromtrico previamente referidos. Um exemplo deste tipo de espao o laboratrio de movimento do CRPG. No laboratrio do CRPG para anlise biomecnica da marcha so usadas 4 cmaras vdeo digitais comuns (formato PAL, a 25 Hz, com 768x576 pixels de resoluo), uma plataforma de foras modelo 9281B da Kistler Instruments, Winterthur, Switzerland com 0,6 m de comprimento e 0,4 m de largura, uma plataforma de presses modelo Footscan 3D da RSscan Internacional, Olen, Belgium com 0,5 m de comprimento e 0,4 m de largura, e a electromiografia recolhida por 8 canais da Myomonitor III, Delsys, Boston, USA, e 4 canais da Bagnoli, Delsys, Boston, USA. Em termos de software usado o Simi Motion para tratamento e visualizao da informao cinemtica, cintica e electromiogrfica. A informao obtida pela plataforma de foras (componentes mdio-lateral, antero-posterior e vertical da fora de reaco do solo, a posio no plano xy do vector resultante da fora de reaco, os momentos segundo as direces x, y e z) tambm visualizada atravs do Simi Motion. O Gait Scientific da RSscan

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Internacional, o software usado no tratamento e visualizao dos dados adquiridos pela plataforma de presso. Note-se que no sistema actual do CRPG para o clculo da cintica, necessria a sincronizao manual entre os dados adquiridos pela plataforma de foras e as coordenadas 3D das marcas corporais. Embora no se recorra plataforma de presses e electromiografia para os clculos cinticos, interessante ter esta informao sincronizada com as imagens do movimento e com a plataforma de fora. 7 CONCLUSES E TRABALHO FUTURO Neste artigo foram apresentadas sumariamente as reas chave teis anlise clnica da marcha e a aplicao prtica destes sistemas ao laboratrio de movimento do CRPG. Actualmente, todos os sistemas integrantes neste laboratrio esto a funcionar, havendo contudo alguns desenvolvimentos em curso; nomeadamente, a validao de um conjunto de protocolos clnicos aplicados populao com paralisia cerebral, com amputaes dos membros inferiores e outros problemas msculo-esquelticos. A anlise clnica da marcha uma rea em contnua evoluo, porm o seu estado actual j uma mais-valia considervel no tratamento de vrias patologias neuromusculares e msculoesquelticas, como em paralisia cerebral e em casos de amputaes dos membros inferiores. Algumas das vantagens da anlise biomecnica da marcha, face simples observao visual clnica da marcha, so a capacidade de quantificar e caracterizar o movimento dos segmentos corporais segundo vrios eixos anatmicos, o que muitas vezes no facilmente detectvel ou mesmo visvel na observao visual da marcha, a possibilidade de aceder a grandezas no observveis visualmente, como a cintica, a electromiografia e presses plantares, e a sistematizao da informao biomecnica num formato repetvel, objectivo e mais robusto a diferentes observadores. Contudo so usualmente identificadas fontes de erro associadas ao uso destes sistemas: erros associados ao movimento devido a tecidos moles, erros na determinao dos centros articulares, particularmente no caso da anca, aproximaes dos parmetros inerciais dos segmentos corporais e diferenciao numrica de posies errneas dos mesmos segmentos. Outros problemas bastante comuns so a colocao das marcas corporais de forma imprecisa e irregular, a diviso do ciclo de marcha e o aumento dos erros do clculo dos ngulos angulares quando a distncia entre marcadores reduzida. A diviso do ciclo biomecnico de marcha ser um dos pontos para o desenvolvimento futuro deste trabalho. 8 AGRADECIMENTOS Este trabalho foi parcialmente desenvolvido no mbito dos projectos: Avaliao Computacional e Tecnolgica Integrada do Desempenho e Funcionalidade dos Cidados com Incapacidades Msculo-esquelticas financiado pelo Programa Operacional Sociedade do Conhecimento e do projecto Segmentao, Seguimento e Anlise de Movimento de Objectos Deformveis (2D/3D) usando Princpios Fsicos financiado pela Fundao para a Cincia e a Tecnologia.

Daniela Sofia S. Sousa, Joo Manuel R. S. Tavares, Miguel Velhote Correia e Emlia Mendes

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