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CARACTERIZAO DAS PROPRIEDADES MECNICAS DAS CARTILAGENS DO JOELHO E DA SUA INTERAO COM OS TECIDOS

CIRCUNDANTES

JOANA CATARINA FERREIRA MACHADO DISSERTAO DE MESTRADO APRESENTADA FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO EM REA CIENTFICA DE ENGENHARIA BIOMDICA

M 2014

Joana Machado, 2015

vi

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FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO

Caracterizao das Propriedades Mecnicas das

Cartilagens do Joelho e da sua Interao com os

Tecidos Circundantes

Joana Catarina Ferreira Machado

Dissertao apresentada Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

para obteno do grau de Mestre em Engenharia Biomdica

Dissertao realizada sob a orientao de:

Prof. Doutor Mrio Augusto Pires Vaz

Professor Associado com Agregao do Departamento de Engenharia Mecnica

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Dr. Lus Miguel Marta de Lima Monteiro

Assistente Hospitalar Graduado de Ortopedia e Traumatologia

Hospital de S. Joo

Mestrado em Engenharia Biomdica

Porto, Junho de 2015

Dissertao realizada com o apoio de:

i

Resumo

O joelho a maior e a mais complexa articulao do organismo, sendo mecanicamente a mais

solicitada das articulaes do corpo humano, e estando, por isso, suscetvel a vrios tipos de

leses. A cartilagem articular do joelho tem a capacidade de suportar grandes cargas

compressivas, enquanto providencia uma superfcie suave e lubrificada na zona de contacto

entre os ossos, facilitando o movimento e a distribuio da carga. Obter as caractersticas

mecnicas deste tecido e perceber o seu comportamento em estado saudvel, pode ser um meio

para a preveno de situaes patolgicas, como a osteoartrose. Nesta patologia a cartilagem

danificada e so desenvolvidos defeitos que podem evoluir de superficiais at extenso

total da sua estrutura, atingindo o osso. Posto isto, pretende-se caracterizar este tecido por meio

de ensaios mecnicos de compresso, bem como pela criao de um modelo numrico que

permita simular o seu comportamento e prever situaes de risco.

No presente estudo, foram realizados testes de compresso inconfinada e confinada em

modo tenso-relaxamento em amostras de discos cilndricos de cartilagem recolhida de fmur

suno. A partir dos ensaios foi determinado o mdulo de Young, , e o mdulo agregado

compresso, , respetivamente. Os resultados indicam valores de =0.3886 MPa e de

=0.4777 MPa. Foram ainda realizados testes de compresso contnua para estudo das foras

e tenses associadas falha do tecido. A falha das amostras ocorreu com a desidratao das

mesmas, assim como mltiplas fissuras do tecido, a um valor de tenso de 63.5 34.6 MPa.

Numa fase posterior do trabalho, foi utilizado um modelo 3D de elementos finitos

representativo da articulao tbio-femoral (incluindo as cartilagens tibiais e femorais, bem

como os meniscos e os ossos fmur e tbia), para estudo das tenses desenvolvidas ao nvel da

cartilagem articular e dos seus tecidos envolventes em situao saudvel e osteoartrtica. A

modelao 3D da cartilagem focou-se na diviso da sua estrutura em trs camadas (superficial,

mdia e profunda) cada uma com diferentes propriedades mecnicas. Foram analisadas as

tenses geradas durante as trs subfases da fase de apoio do ciclo de marcha (apoio plantar,

apoio do calcanhar e apoio dos dedos). As tenses mais elevadas so desenvolvidas na situao

ii

de apoio dos dedos e as mais baixas na de apoio plantar. Entre as trs camadas de cartilagem

consideradas, as tenses mais altas localizam-se na superficial, e depois na profunda e medial.

Na presena de osteoartrose, as tenses aumentam e as mximas concentram-se na zona do

defeito.

Palavras-Chave: cartilagem articular, biomecnica da cartilagem, ensaios mecnicos de

compresso, articulao do joelho, anlise de elementos finitos, tenses de contacto, osteoartrose.

iii

Abstract

The theme of this thesis is concerned with the mechanical characterization of the knee articular

cartilage. The knee was the chosen joint because it is the major joint of the human organism,

as it is frequently mechanically demanded it is also susceptible to various kinds of injuries.

The knee articular cartilage (AC) has the capability of supporting large compressive loads,

while providing a soft and lubricated surface in the area of contact between bones. This

structure facilitates knee movements and load distribution. Finding the mechanical properties

of the articular cartilage and understanding its behaviour on its healthy state, can be a way of

preventing pathological situations like osteoarthritis (OA). Hereupon, this thesis intends to

characterize this structure by undergoing mechanical compression tests, as well as creating a

numerical model which simulates their behaviour and predicts risk situations.

In current study, both unconfined and confined ramp-stress relaxation compression tests

of cylindrical cartilage discs, taken from the swine femur, were utilized to determine Youngs

modulus, E, and aggregate modulus, HA, of the cartilage tissue. The results indicates values of

=0.3886 MPa and =0.4777 MPa. Furthermore, continuous compression tests were

performed to study forces and stresses associated with tissue loss. Specimens failure occurred

with dehydration and multiple cracks of the tissue at a nominal applied stress of

63.5 34.6 MPa.

A 3D finite element model of the tibio-femoral joint including femoral and tibial cartilage,

menici and bones, was used to study contact stresses on AC and its surrounding tissues in

healthy and osteoarthritic cartilage situations. The 3D modelling of AC was redesign to include

three cartilage layers (superficial, medial and deep zones) with different mechanical

behaviours. Three situations of the stance phase of the gait cycle were analysed (heel strike,

single limb stance and toe-off). The high stresses on AC are developed in toe-off situation

and the minimum in the single limb stance. Furthermore, between the three AC layers, peak

iv

stresses are in the superficial, then in the deep and medial layers. In the presence of OA, the

maximum stresses were higher and are concentrated in the affected area.

Key-Words: articular cartilage, cartilage biomechanics, mechanical compression tests, knee joint,

finite element analysis, contact pressure, osteoarthritis.

v

Agradecimentos

Ao professor orientador Doutor Mrio Vaz, bem como ao mdico e coorientador Dr. Miguel Marta

por todo o acompanhamento e motivao na realizao do trabalho.

Ao Engenheiro Nuno Viriato pela disponibilidade, dedicao, pacincia e ainda pelas dicas e

conselhos no ensino e manipulao dos programas comerciais utilizados na elaborao do trabalho,

bem como no auxlio das tcnicas de recolha das amostras e realizao dos ensaios experimentais. Foi

uma pessoa essencial em toda a conduo do trabalho.

Engenheira Viviana Pinto pelo auxlio e esclarecimentos nas questes relacionadas com os testes

experimentais.

Ao Engenheiro Shayan Eslami pela construo da cmara de confinamento e cilindros de compresso

adaptados mesma.

s entidades de apoio pelos recursos disponibilizados para o desenvolvimento do trabalho.

Aos meus amigos do 12B, por estarem sempre presentes em todas as fases da minha vida.

s minhas colegas e amigas do Grupo do Joelho, Joana Silva e Diane Carvalho, pelo apoio

demonstrado e pelas dicas e conselhos em alguns aspetos relacionados com o meu trabalho.

Aos meus colegas do Mestrado em Engenharia Biomdica pelas crticas construtivas ao longo do

tempo. Em especial ao Lus e Ins, que estiveram presentes em muitas fases.

Aos meus pais, a quem dedico esta dissertao, por me proporcionarem a oportunidade de atingir esta

formao, por todo o apoio incondicional e pelo aconselhamento sempre sensato em todas as decises

necessrias ao longo do meu percurso acadmico.

Ao meu irmo, ajudante de talho por profisso, pela disponibilidade na obteno de joelhos sunos,

bem como pela ajuda na disseco dos mesmos. A ele e toda a restante famlia que sempre mostraram

orgulho e confiana em mim.

Por fim, Brbara, e, em especial, ao Tiago, por me demonstrarem apoio, positivismo e

essencialmente perseverana, em todos os momentos de fraqueza.

A todos, o meu sincero agradecimento

Joana Machado

vi


vii

ndice

Resumo .................................................................................................................................................... i

Abstract ..................................................................................................................................................iii

Agradecimentos ...................................................................................................................................... v

ndice .................................................................................................................................................... vii

ndice de Figuras .................................................................................................................................... xi

ndice de Tabelas ................................................................................................................................ xvii

Lista de Abreviaturas e Acrnimos ...................................................................................................... xix

Lista de Smbolos ................................................................................................................................ xxi

Introduo ........................................................................................................................... 1

1.1. Objetivos ...................................................................................................................................... 4

1.2. Apresentao dos Captulos ......................................................................................................... 5

Articulao do Joelho ......................................................................................................... 7

2.1. Terminologia Anatmica Elementar ............................................................................................ 7

2.1.2. Posio Anatmica, Planos e Eixos de Referncia ............................................................... 7

2.2. Artrologia do Joelho .................................................................................................................... 8

2.3. Estrutura do Joelho .................................................................................................................... 10

2.3.1. Ossos ................................................................................................................................... 10

2.3.2. Tecidos Moles ..................................................................................................................... 11

2.4. Mecnica das Articulaes......................................................................................................... 13

2.4.1. Mecnica do Contacto ......................................................................................................... 13

2.4.2. Fenmenos de contacto no joelho ....................................................................................... 14

2.4.3. Desgaste das Articulaes ................................................................................................... 15

2.5. Movimentos Articulares do Joelho ............................................................................................ 15

2.5.1. Cinemtica do Joelho .......................................................................................................... 16

2.5.2. Cintica e Estabilidade do Joelho ....................................................................................... 17

2.5.3. Ciclo de Marcha .................................................................................................................. 18

Cartilagem Articular ......................................................................................................... 21

3.1. Tipos de Cartilagem ................................................................................................................... 21

viii

3.2. Composio e Estrutura da Cartilagem Articular ...................................................................... 22

3.2.1. Arranjo da Cartilagem ........................................................................................................ 24

3.2.1.1. Zona Superficial .......................................................................................................... 25

3.2.1.2. Zona Mdia .................................................................................................................. 25

3.2.1.3. Zona Profunda ............................................................................................................. 25

3.2.1.4. Zona de Calcificao ................................................................................................... 25

3.3. Comportamento Mecano-Eletroqumico da Cartilagem Articular ............................................. 25

3.4. Falncia da Cartilagem .............................................................................................................. 27

3.4.1. Osteoartrose ........................................................................................................................ 27

3.4.2. Procedimentos cirrgicos para restauro da cartilagem articular ......................................... 30

3.4.2.1. Microfratura ................................................................................................................. 30

3.4.2.2. Transplante de excertos osteocondrais ........................................................................ 31

Biomecnica da Cartilagem Articular............................................................................... 33

4.1. Conceitos Fundamentais da Cincia dos Materiais ................................................................... 33

4.2. Modelao Biomecnica............................................................................................................ 35

4.3. Propriedades Mecnicas da Cartilagem Articular ..................................................................... 40

4.3.1. Comportamento da Cartilagem em Compresso ................................................................ 40

4.3.1.1. Compresso Confinada ................................................................................................ 40

4.3.1.2. Compresso Inconfinada ............................................................................................. 41

4.3.1.3. Testes de Indentao .................................................................................................... 42

4.3.1.4. Modos de Teste ............................................................................................................ 42

4.3.1.5. Estado da Arte ............................................................................................................. 44

4.3.2. Caracterizao de ensaios mecnicos em tecidos biolgicos .............................................. 46

4.3.3. Comparao entre espcies ................................................................................................. 46

Ensaios Experimentais de Compresso ............................................................................ 49

5.1. Disseco do joelho ................................................................................................................... 49

5.2. Mtodos de recolha de amostras cilndricas de cartilagem ........................................................ 50

5.3. Ensaios de compresso .............................................................................................................. 53

5.3.1. Compresso contnua .......................................................................................................... 54

5.3.1.1.Variao da localizao da amostra .............................................................................. 55

5.3.1.2. Variao da velocidade ................................................................................................ 55

5.3.1.3. Variao do dimetro da amostra ................................................................................ 56

5.3.1.4. Clculo de propriedades mecnicas ............................................................................. 58

5.3.2. Modo Tenso-Relaxamento ................................................................................................ 59

Modelao por Elementos Finitos .................................................................................... 63

6.1. Evoluo do Mtodo dos Elementos Finitos ............................................................................. 63

6.2. Caractersticas do Mtodo dos Elementos Finitos ..................................................................... 64

6.3. Modelao 3D da Articulao do Joelho ................................................................................... 66

6.3.1. Obteno de geometrias tridimensionais ............................................................................ 67

6.3.1.1. Modelo Open Knee ...................................................................................................... 68

ix

6.3.2. Malha de elementos finitos ................................................................................................. 70

6.3.3. Modelao da cartilagem em camadas ................................................................................ 71

6.3.4. Modelo Constitutivo e Propriedades Mecnicas ................................................................. 72

6.3.5. Condies Fronteira e de Carregamento ............................................................................. 74

Simulao Numrica ......................................................................................................... 75

7.1. Avaliao das tenses geradas em joelho com diferenciao da cartilagem por camadas ......... 75

7.1.1. Meniscos ............................................................................................................................. 76

7.1.2. Ossos ................................................................................................................................... 77

7.1.3. Cartilagens .......................................................................................................................... 79

7.2. Efeito da Osteoartrose ................................................................................................................ 81

7.3. Introduo de dados experimentais ............................................................................................ 83

Discusso dos Resultados ................................................................................................. 87

8.1. Ensaios experimentais de compresso em cartilagem de suno ................................................. 87

8.2. Simulao Numrica .................................................................................................................. 90

8.2.1 Validao do modelo de elementos finitos .......................................................................... 93

Concluso e Trabalho Futuro ............................................................................................ 95

9.1. Perspetivas futuras ..................................................................................................................... 97

Anexos .................................................................................................................................................. 99

Anexo A - Distribuio de tenses e deformaes em joelho com diferenciao da cartilagem por

camadas........................................................................................................................................... 100

A.1. Ossos ....................................................................................................................................... 100

A.1.1. Situao de apoio do calcanhar ........................................................................................ 100

A.1.2. Situao de apoio dos dedos ............................................................................................ 101

A.2. Meniscos ................................................................................................................................. 102



A.3. Cartilagens Tibiais .................................................................................................................. 103



A.4. Cartilagens Femorais............................................................................................................... 105



Anexo B - Distribuio de tenses e deformaes em joelho com propriedades experimentais para a

cartilagem femoral (situao de AP) ............................................................................................... 107

B.1. Ossos ....................................................................................................................................... 107

B.2. Meniscos ................................................................................................................................. 108

B.3. Cartilagens Tibiais .................................................................................................................. 109

Glossrio de Termos ........................................................................................................................... 111

Referncias Bibliogrficas .................................................................................................................. 113

x


xi

ndice de Figuras

Figura 2.1 - Ilustraes representativas de: (a) posio anatmica, (Adaptado de Duarte, 2009); (b)

distribuio dos eixos e planos do corpo e termos direcionais, (Adaptado de Nordin & Frankel, 2012).

................................................................................................................................................................ 8

Figura 2.2 - Ilustrao da articulao do joelho: (a) cpsula articular intacta, (Adaptado de (eOrthopod:

Medical Multimedia Group, 2012); (b) cpsula articular em plano sagital, (Adaptado de Herlihy &

Maebius, 2002). ...................................................................................................................................... 9

Figura 2.3 - Movimentos da articulao do joelho: (a) analogia de dobradia; (b) movimentos de flexo

e extenso; (Adaptado de Seeley et al., 2014). ..................................................................................... 10

Figura 2.4 - Ossos do joelho humano (vista anterior), (Adaptado de eOrthopod: Medical Multimedia

Group, 2012). ........................................................................................................................................ 11

Figura 2.5 - Diferentes ligamentos do joelho, (Adaptado de eOrthopod: Medical Multimedia Group,

2012). .................................................................................................................................................... 11

Figura 2.6 - Ilustrao da posio dos meniscos na articulao do joelho, (Adaptado de eOrthopod:

Medical Multimedia Group, 2012). ...................................................................................................... 12

Figura 2.7 - Localizao das cartilagens articulares dos diferentes ossos do joelho, (Adaptado de

eOrthopod: Medical Multimedia Group, 2001). ................................................................................... 12

Figura 2.8 - Padro de tenses obtidas por fotoelasticidade na regio de contacto, (Popov, 2010). ..... 14

Figura 2.9 - Representao geomtrica e designaes atribudas aos seis graus de liberdade na

movimentao do joelho, (Adaptado de Nordin & Frankel, 2012). ...................................................... 17

Figura 2.10 - Movimentos do joelho: (a) Joelho em extenso; (b) Joelho fletido a 90; (Adaptado de

Putz, 2006). ........................................................................................................................................... 17

Figura 2.11 - Subfases da fase de apoio do ciclo de marcha: (a) apoio do calcanhar; (b) apoio plantar;

(c) apoio dos dedos, (Adaptado de Footlogics, 2015). .......................................................................... 19

Figura 3.1 - Aparncia da cartilagem: (a) A cartilagem hialina, em pacientes jovens, apresenta-se como

um tecido translcido azul claro e pode ser encontrada nas superfcies articulares e placa de crescimento;

(b) Com o avano da idade a cartilagem articular torna-se mais opaca com uma colorao amarela

esbranquiada; (Horvai, 2011). ............................................................................................................. 22

xii

Figura 3.2 - Representao esquemtica da interao entre a rede de colagnio e de PGs, (Adaptado de

Lu & Mow, 2008). ................................................................................................................................ 23

Figura 3.3 - Organizao dos condrcitos (direita) e das fibras de colagnio (esquerda) ao longo da

profundidade da CA, (Adaptado de Ronken, 2012). ............................................................................ 24

Figura 3.4 - Graus de dano na cartilagem: 1 a 4, respetivamente de (a) a (d), de acordo com a escala de

Outerbridge, (Erggelet & Mandelbaum, 2008). .................................................................................... 29

Figura 3.5 - Etapas do procedimento cirrgico de microfratura: (a) a cartilagem danificada removida;

(b) abraso dos restos de tecido; (c) utilizado um instrumento que permite a criao de pequenos furos

atravs do osso subcondral - gerao de suprimento sanguneo que permite o transporte de clulas

saudveis para crescimento da cartilagem, (Erggelet & Mandelbaum, 2008). ..................................... 30

Figura 3.6 - Viso artroscpica de leso da cartilagem no cndilo femoral aps procedimento cirrgico

de microfratura, (Erggelet & Mandelbaum, 2008). .............................................................................. 31

Figura 3.7 - Procedimento cirrgico para tratamento de defeito na cartilagem no cndilo femoral atravs

de transplante de cilindros de cartilagem: (a) colheita de cilindros de zona de cartilagem no afetada

com pouca probabilidade de dano; (b) implementao dos cilindros na zona da leso; (c) defeito de

cartilagem aps transplante, (Erggelet & Mandelbaum, 2008). ........................................................... 31

Figura 3.8 - (a) Reconstruo 3D de defeito ao nvel do cndilo femoral; (b) Imagem real de cndilo

femoral com leso preenchida por cilindros de cartilagem e osso. De notar que os cilindros, de

dimenses diferentes, se sobrepem para cobrir totalmente a zona lesionada; (Erggelet & Mandelbaum,

2008)..................................................................................................................................................... 32

Figura 4.1 Cargas principais: (a) compresso; (b) trao; (c) corte; (d) toro; (e) flexo; (Adaptado

de Knudson, 2007). .............................................................................................................................. 34

Figura 4.2 - Representao esquemtica da variao de comprimento de um corpo sseo com a aplicao

de foras de trao nas suas extremidades, (Adaptado de Completo & Fonseca, 2011). ..................... 35

Figura 4.3 - Representao esquemtica do ensaio de compresso confinada, (Adaptado de Abbass &

Abdulateef, 2012). ................................................................................................................................ 41

Figura 4.4 - Representao esquemtica do ensaio de compresso inconfinada, (Adaptado de Abbass &

Abdulateef, 2012). ................................................................................................................................ 41

Figura 4.5 - Representao esquemtica do teste de indentao, (Adaptado de Abbass &

Abdulateef, 2012). ................................................................................................................................ 42

Figura 4.6 Curvas representativas do comportamento em fluncia da cartilagem: (a) aplicao de uma

fora constante na amostra de cartilagem; (b) resposta em fluncia da amostra sob carga constante

aplicada, (Adaptado de Completo & Fonseca, 2011 e Nordin & Frankel, 2012). ................................ 43

Figura 4.7 - Curvas representativas do comportamento em modo tenso-relaxamento da cartilagem: (a)

Deslocamento imposto na amostra com incio em t0; (b) resposta do tecido em modo tenso-

relaxamento, (Adaptado de Completo & Fonseca, 2011 e Nordin & Frankel, 2012). .......................... 43

Figura 4.8 Comportamento tpico da cartilagem articular em compresso inconfinada, compresso

confinada e indentao: (a) modo tenso-relaxamento em funo do tempo; (b) tenso-deformao no

equilbrio; (Adaptado de Korhonen et al., 2002). ................................................................................. 44

Figura 4.9 - Curvas de tenso-deformao para os dois ensaios, (Adaptado de Jurvelin et al., 2003). 45

xiii

Figura 4.10 - Comparao do joelho entre espcies: (a) bovino e humano, (Adaptado de Athanasiou et

al., 1991); (b) suno e humano, (Adaptado de Xerogeanes et al., 1998). .............................................. 47

Figura 5.1 - Resultado da disseco do joelho suno para obteno das amostras de interesse: (a) fmur;

(b) tbia. ................................................................................................................................................ 50

Figura 5.2 Recolha de amostras: (a) cortantes utilizados para obteno de amostras cilndricas; (b)

amostras de osso e cartilagem do joelho do suno. ............................................................................... 50

Figura 5.3 - Esquematizao do ensaio de compresso inconfinada de amostras cilndricas de cartilagem

agarrada a osso: (a) amostras com faces no paralelas entre si o que causa um ensaio invlido; (b)

demonstrao da fixao correta da amostra nos cilindros de compresso. .......................................... 51

Figura 5.4 - (a) Recolha de amostras de cartilagem agarrada ao osso adjacente, por meio de mquina

CNC; (b) Amostra cilndrica de cartilagem agarrada a osso com um dimetro de 10 mm e altura de ~13

mm. ....................................................................................................................................................... 52

Figura 5.5 - Cartilagem total recolhida do joelho de suno: (a) parte superior do fmur; (b) cndilos do

fmur; (c) tbia. ..................................................................................................................................... 52

Figura 5.6 - Amostras de cartilagem em forma de disco: (a) dimetro de 10 e 6 mm; (b) visualizao da

espessura das amostras - 2.10 e 1.20 mm. (NOTA - Os valores apresentados nesta legenda referem-se,

respetivamente, cartilagem da esquerda e direita). ............................................................................. 53

Figura 5.7 - Ensaios de compresso contnua: (a) TIRA test 2705; (b) aparato para compresso

confinada com clula de carga. ............................................................................................................. 54

Figura 5.8 - Amostras de cartilagem aps ensaio de compresso contnua: (a) exemplo com =10 mm;

(b) exemplo com =6 mm; (c) sada de fludo do tecido. .................................................................... 55

Figura 5.9 - Grfico fora-tempo para o ensaio de compresso confinada em amostras dos cndilos do

fmur com =6mm. .............................................................................................................................. 56

Figura 5.10 - Grfico fora-tempo para o ensaio de compresso inconfinada em amostras da parte

superior do fmur a uma velocidade de 1 m/s. ................................................................................... 57

Figura 5.11 - Grfico tenso-deformao para o ensaio de compresso inconfinada em amostras da parte

superior do fmur a uma velocidade de 1 m/s. ................................................................................... 57

Figura 5.12 - Grfico tenso-deformao para dois tipos de compresso: CI - compresso inconfinada;

CC - compresso confinada. ................................................................................................................. 58

Figura 5.13 - Ensaios de tenso-relaxamento: (a) INSTRON Electro Plus E1000; (b) clula de carga

(1 kN) e cmara de confinamento. ........................................................................................................ 59

Figura 5.14 - Comportamento tpico da cartilagem em compresso confinada e inconfinada: (a) ensaio

tenso-relaxamento total para amostras com =6mm; (b) parte do ensaio para visualizao detalhada

da rampa de tenso-relaxamento. .......................................................................................................... 60

Figura 5.15 Resposta tenso-deformao na fase de equilbrio em modo tenso-relaxamento. ........ 61

Figura 6.1 Discretizao da articulao do joelho em elementos finitos. (Adaptado de Kazemi et al.,

2013) ..................................................................................................................................................... 65

Figura 6.2 - Imagens RM do plano sagital do joelho e segmentao da geometria 3D, (Adaptado de

Mononen et al., 2012). .......................................................................................................................... 67

Figura 6.3 - Modelo de elementos finitos gerado por Shirazi & Shirazi-Adl, 2009, (Adaptado). ........ 68

xiv

Figura 6.4 (a) e (b) Modelo de elementos finitos do projeto Open Knee: vista anterior e posterior,

respetivamente, (Adaptado de Erdemir & Sibole, 2010); (c) e (d) Modelo 3D em SolidWorks utilizado

no trabalho com eliminao da geometria dos ligamentos: vista anterior e posterior, respetivamente. 69

Figura 6.5 Malha de elementos finitos em Ansys. ........................................................................... 70

Figura 6.6 - Diviso da cartilagem em camadas: (a) cartilagem femoral original do modelo do projeto

Open Knee; (b) diviso em trs camadas atravs do software SolidWorks; (c) malha de elementos

finitos relativa cartilagem femoral; (d) geometria final dos trs corpos relativos s camadas da

cartilagem femoral em Ansys. (De notar que o mesmo procedimento foi realizado para as cartilagens

tibiais.) .................................................................................................................................................. 71

Figura 6.7 - Modelo de elementos finitos com diferenciao das camadas da cartilagem em Ansys. 72

Figura 6.8 - Condies fronteira e de carregamento do modelo 3D em Ansys: (a) aplicao da fora

compressiva; (b) fixao da tbia. ......................................................................................................... 74

Figura 7.1 - Distribuio das tenses de von Mises em joelho saudvel para os casos de: (a) AP; (b) AC;

(c) AD. .................................................................................................................................................. 76

Figura 7.2 - Distribuio das tenses, (a), e deformaes, (b), de von Mises nos meniscos em joelho

saudvel para a situao de AP............................................................................................................. 77

Figura 7.3 - Provas de tenso ao longo das faces superiores dos meniscos para a situao de AP (valores

de tenso em MPa). .............................................................................................................................. 77

Figura 7.4 - Distribuio das tenses de von Mises nos ossos em joelho saudvel para a situao de AP:

(a) fmur; (b) tbia. ............................................................................................................................... 78

Figura 7.5 - Distribuio das tenses (esquerda) e deformaes (direita) de von Mises nos ossos em

joelho saudvel para a situao de AP: (a) e (b) cndilos do fmur; (c) e (d) topo da tbia. ................ 78

Figura 7.6 - Distribuio das tenses (em cima) e deformaes (em baixo) de von Mises na cartilagem

tibial de joelho saudvel para a situao de AP: (a) e (d) camada superficial; (b) e (e) camada mdia; (c)

e (d) camada profunda. ......................................................................................................................... 79


femoral de joelho saudvel para a situao de AP: (a) e (d) camada superficial; (b) e (e) camada mdia;

(c) e (d) camada profunda. .................................................................................................................... 80

Figura 7.8 - Provas de tenso equivalente ao nvel da parte anterior da: (a) cartilagem femoral

superficial; (b) cartilagem tibial superficial (valores de tenso em MPa). ........................................... 81

Figura 7.9 - Ilustrao da zona de reduo de propriedades mecnicas (seta): (a) cartilagem femoral

(vista distal); (b) modelo 3D total - foi realizado o defeito na zona de contacto com o menisco. ........ 82

Figura 7.10 - Distribuio de tenses na cartilagem femoral superficial com aparecimento de defeito

com propriedades reduzidas a 50%. ..................................................................................................... 82

Figura 7.11 - Comparao das tenses ao nvel da cartilagem femoral mdia e profunda para as situaes

de saudvel e aparecimento de defeito de OA na cartilagem femoral superficial, (valores de tenso em

MPa). .................................................................................................................................................... 83


femoral com propriedades mecnicas obtidas experimentalmente para a situao de AP: (a) e (d) camada

superficial; (b) e (e) camada mdia; (c) e (d) camada profunda. .......................................................... 84

xv

Figura 7.13 - Provas de tenso equivalente ao nvel da parte anterior da cartilagem femoral superficial:

(a) modelo com diferenciao de camadas; (b) modelo com propriedades mecnicas obtidas

experimentalmente para a situao de AP, (valores de tenso em MPa). ............................................. 85

Figura 8.1 - Comparao das tenses mximas geradas em cada estrutura do joelho, para cada uma das

subfases de apoio do ciclo de marcha. .................................................................................................. 91

Figura 8.2 - Comparao das tenses mximas geradas em cada estrutura do joelho para cada um dos

casos de estudo. .................................................................................................................................... 93

xvi


xvii

ndice de Tabelas

Tabela 3.1 - Composio aproximada da cartilagem articular, (Adaptado de Chiravarambath, 2012 e

Landnez-Parra et al., 2012).................................................................................................................. 24

Tabela 3.2 - Classificao do dano na cartilagem, (Abbass & Abdulateef, 2012; Erggelet &

Mandelbaum, 2008). ............................................................................................................................. 28

Tabela 4.1 - Comparao dos modelos ortotrpico e isotrpico transverso.......................................... 37

Tabela 4.2 - Vantagens e desvantagens dos diferentes modelos de comportamento dos materiais,

(Adaptado de Freutel et al., 2014). ....................................................................................................... 39

Tabela 4.3 - Cruzamento de propriedades mecnicas da cartilagem segundo vrios autores (mdia dp).

.............................................................................................................................................................. 45

Tabela 5.1 - Fora mxima, em N, de acordo com o tipo de amostra ensaiada, varivel em zona de

colheita. ................................................................................................................................................. 55

Tabela 5.2 - Fora mxima, em N, de acordo com a velocidade e tipo de ensaio................................. 55

Tabela 5.3 - Fora mxima, em N, e respetiva tenso, em MPa, de acordo com o dimetro da amostra.

.............................................................................................................................................................. 57

Tabela 5.4 - Propriedades mecnicas determinadas a partir dos testes de compresso contnua (mdia

dp, n=3). ................................................................................................................................................ 58

Tabela 5.5 Mdulo de Young e mdulo agregado compresso determinados a partir dos testes de

compresso em modo tenso-relaxamento e respetivo coeficiente de Poisson (mdia dp, n=3). ...... 61

Tabela 6.1 - Propriedades mecnicas das camadas da cartilagem, (Abbass & Abdulateef, 2012; Donzelli

et al., 1999; Mononen et al., 2011; Vaziri et al., 2008). ....................................................................... 73

Tabela 6.2 - Propriedades mecnicas para os ossos e meniscos. .......................................................... 73

Tabela 6.3 - Foras consideradas na simulao de acordo com o peso considerado. ........................... 74

Tabela 7.1 - Valores de tenso mxima de von Mises, em MPa, para as cartilagens em modelo saudvel.

.............................................................................................................................................................. 81

Tabela 7.2 - Propriedades mecnicas a partir dos dados experimentais................................................ 83

Tabela 8.1 - Comparao de propriedades mecnicas do presente estudo com a bibliografia consultada.

.............................................................................................................................................................. 89

xviii

[Esta pgina foi intencionalmente deixada em branco

xix

Lista de Abreviaturas e Acrnimos

3D Tridimensional

AC Apoio do calcanhar

AD Apoio dos dedos

APGs Agregado de Proteoglicanos

AP Apoio Plantar

BW Multiples of Body Weight (Mltiplos do Peso do Corpo)

CA Cartilagem Articular

CAD Computer Aided Design (Desenho Assistido por Computador)

CFM Cartilagem Femoral Mdia

CFP Cartilagem Femoral Profunda

CFS Cartilagem Femoral Superficial

CNC Controlo Numrico Computacional

CTM Cartilagem Tibial Mdia

CTP Cartilagem Tibial Profunda

CTS Cartilagem Tibial Superficial

ECM Extra Cellular Matrix (Matriz Extracelular)

FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

INEGI Instituto de Cincia e Inovao em Engenharia Mecnica e Engenharia Industrial

LABIOMEP Laboratrio de Biomecnica do Porto

LCA Ligamento Cruzado Anterior

LCL Ligamento Colateral Lateral

LCM Ligamento Colateral Medial

LCP Ligamento Cruzado Posterior

LOME Laboratrio de tica e Mecnica Experimental

MEF Mtodo dos Elementos Finitos

OA Osteoartrose

xx

PBS Phosphate buffered saline

PG Proteoglicano

RM Ressonncia Magntica

SI Sistema Internacional

.STL StereoLitography File (Ficheiro de Estereolitografia)

TC Tomografia Computadorizada

ZC Zona de Calcificao da Cartilagem Articular

ZM Zona Mdia da Cartilagem Articular

ZS Zona Superficial da Cartilagem Articular

ZP Zona Profunda da Cartilagem Articular

xxi

Lista de Smbolos

ngstrm

~ Aproximadamente

rea

cm Centmetro

Coeficiente de Permeabilidade

Coeficiente de Poisson

Deformao, derivada do deslocamento

dp Desvio-Padro

Dimetro

Fora

Grau

C Grau Centgrado

Hz Hertz

Mais ou menos

Marca Registada

MPa MegaPascal

m Metro

m Micrmetro

mm Milmetro

Mdulo Agregado Compresso

, Mdulo de Corte

Mdulo de Young (ou Mdulo de Elasticidade)

n Nmero de Amostras

kN QuiloNewton

kPa QuiloPascal

xxii

N Newton

Pa Pascal

% Percentagem

s Segundos

> Sinal de Maior

< Sinal de Menor

Tenso

v Velocidade

Captulo 1

Introduo

Introduo

O joelho a maior e mais solicitada articulao do corpo humano, sendo constitudo por vrias

estruturas que providenciam o seu suporte e estabilizao. uma articulao complexa que

transmite cargas, facilita a posio e o movimento do corpo e providencia os momentos

necessrios para as atividades que envolvem toda a perna, como por exemplo a locomoo. O

estudo da articulao do joelho especialmente relevante em traumatologia devido ao nmero

e gravidade de leses a que este est sujeito.

A engenharia biomdica resulta da aplicao das leis da fsica (ou biofsica) ao estudo do

sistema mecnico articulado que o corpo humano, sendo a biomecnica um dos principais e

mais importantes ramos na compreenso do seu funcionamento. A aplicao da engenharia

mecnica, atravs da biomecnica, ao estudo de sistemas biolgicos pretende descrever o

movimento e as foras geradas por este nos tecidos vivos, proporcionando ferramentas

concetuais e matemticas para o efeito. A fsica da maioria dos fenmenos biolgicos

envolvendo cargas descrita atravs da Mecnica, quer pela via da dinmica com o estudo do

movimento e foras, quer pela via do estudo da mecnica dos meios contnuos, que se dedica

ao estudo das deformaes e das tenses associadas, (Completo & Fonseca, 2011; Knudson,

2007). Nos ltimos anos, a caracterizao mecnica do joelho tem vindo a ser um passo

importante na abordagem desta articulao por parte dos profissionais de sade, uma vez que

permite que estes conheam o limite de resistncia das suas estruturas, bem como prever as

cargas impostas em situaes especficas de traumas ou patologias associadas a esta

articulao.

A melhor compreenso do comportamento do joelho passa pelo conhecimento da sua

anatomia e fisiologia, bem como do comportamento de cada uma das suas estruturas em

particular. De uma forma geral, o joelho constitudo por ossos (fmur, tbia e rtula) e tecidos

2 Introduo

moles (cartilagem, ligamentos e meniscos), onde todos desempenham um importante papel no

correto funcionamento da articulao. Por ser uma articulao de grande porte, a sua

funcionalidade biomecnica governada pela complexa interao de todos estes componentes,

sendo que a falha de um deles, pode levar a um desequilbrio natural do joelho e promover a

deteriorao de todo o sistema articular.

A cartilagem articular um tecido de conexo presente nas extremidades do osso

subcondral das articulaes. No joelho, uma estrutura vital para a manuteno do seu bom

funcionamento, uma vez que apresenta propriedades mecnicas nicas que permitem executar

funes biomecnicas importantes, tais como a absoro de choques mecnicos

(essencialmente compressivos), facilitao do movimento e distribuio da carga que

aplicada ao joelho, por forma a reduzir a concentrao de tenses no osso subjacente, e reduo

do atrito entre as superfcies de contacto, por meio de um mecanismo de lubrificao sob uma

ampla gama de condies de carga, (Athanasiou et al., 2013; Completo & Fonseca, 2011;

Nordin & Frankel, 2012).

A degradao da cartilagem a chave de doenas degenerativas como a osteoartrose (OA).

Em condies de patologia, a degenerao da cartilagem causa um movimento debilitado e

dor nas articulaes, uma vez que existe perda das suas funes. A OA persiste quando h um

desequilbrio entre a falha e a regenerao fisiolgica. Alguns estudos demonstram que fatores

biomecnicos locais podem afetar a iniciao e progresso da doena, onde as propriedades

mecnicas da cartilagem articular podem ser reduzidas entre 20-80% em comparao com o

tecido saudvel, (Completo & Fonseca, 2011; Nissi et al., 2004). So vrias as causas que

podem incitar uma maior degradao da cartilagem do joelho, podendo estas estarem

associadas a leses pontuais, quer desportivas ou acidentais, que podem levar falha dos

outros constituintes do joelho (como a rutura dos ligamentos e/ou necessidade de

meniscectomias totais ou parciais); por outro lado o envelhecimento da articulao com o

avanar da idade tambm um fator relevante no aparecimento da doena, (Buckwalter et al.,

2005; Ringdahl & Pandit, 1998). Estes aspetos contribuem para a evoluo da OA, uma vez

que se do modificaes na distribuio do padro das tenses geradas na cartilagem articular.

Entre os fatores de risco associados degradao e degenerao da cartilagem ao nvel do

joelho destacam-se o sexo feminino, pessoas obesas, idosas ou que tenham um passado clnico

de leso do joelho, (Ringdahl & Pandit, 1998). Em 2003, a Organizao Mundial de Sade

estimou que, a nvel mundial, a osteoartrose do joelho afetava cerca de 135 milhes de pessoas,

onde 40% da populao acima dos 70 anos; 80% dos doentes tinham algum grau de limitao

de movimento e 25% no eram capazes de realizar as suas atividades dirias principais,

(ONDOR, 2005). Em Portugal a informao sobre a epidemiologia da OA tem sido

considerada escassa, contudo a prevalncia de doena reumtica em Portugal situa-se entre

14,5% e 24,0%, o que por si s traduz o seu enorme peso no nosso pas, (Simes et al., 2013).

Captulo 1 3

Estima-se que, em Portugal, existam mais de dois milhes de pessoas com a doena, sendo

que cerca de 80% so pessoas com mais de 70 anos, (Augusto, 2014). O exerccio fsico, a

perda de peso e a aplicao de injees anti-inflamatrias podem diminuir a dor e melhorar a

funo do joelho, (Ringdahl & Pandit, 1998). No entanto, cada caso particular e no

possvel evitar completamente a doena, uma vez que se traduz num processo degenerativo

que acompanha o envelhecimento. A OA , por isso, uma doena crnica irreversvel.

So vrios os grupos de investigao que ao longo do tempo tm vindo a estudar as

caractersticas mecnicas da cartilagem, por forma a entenderem como se desenvolve a OA,

uma vez que este parece ser um fenmeno mecanicamente induzido, (Completo & Fonseca,

2011; Kazemi et al., 2013). Sendo assim, conhecer o comportamento mecnico da cartilagem

no seu estado saudvel, pode fornecer aspetos prvios que sero importantes no

desenvolvimento de situaes patolgicas.

Para conhecer o comportamento da cartilagem articular necessrio determinar as suas

propriedades mecnicas. Estas tm sido alvo de vrios estudos experimentais que permitiram

gerar modelos matemticos e protocolos de ensaio que pretendem alcanar um conhecimento

mais profundo acerca da resposta deste tecido carga. So vrias as tcnicas experimentais

usadas para medir e prever o comportamento mecnico deste tecido, sendo que, em

compresso, os ensaios mais comuns so os de compresso confinada, compresso

inconfinada e indentao, (Completo & Fonseca, 2011; Mansour, 2003; Sharpe, 2008). Os

modelos animais podem tornar-se ferramentas teis para o estudo e deliberao prvias das

melhores tcnicas a utilizar para estudos de interesse em material humano. A utilidade da

informao obtida atravs destes estudos depende dos aspetos em comum entre as

propriedades da cartilagem humana e animal, (Athanasiou et al., 1991). Para a caracterizao

da cartilagem tm vindo a ser estudados modelos de bovinos, sendo que as diferenas com o

tecido humano no so muito significativas. No so conhecidos muitos estudos realizados ao

nvel das propriedades mecnicas da cartilagem suna.

Uma outra abordagem propem solues analticas para determinao das tenses e

deformaes no tecido, bem como para a mecnica de contacto nas articulaes, de modo a

prever o comportamento quando o carregamento est implcito, (Huang et al., 2005; Mow et

al., 1989). Mais recentemente, a aplicao do mtodo de elementos finitos a modelos CAD 3D

usada para a anlise de tenses e deformaes em determinadas situaes de carga fisiolgica

ou patolgica, bem como para validao do comportamento mecnico consoante as

propriedades mecnicas adquiridas nos testes experimentais, (Abbass & Abdulateef, 2012;

Donahue et al., 2002; Y. Guo et al., 2009; John et al., 2013; Vidal et al., 2007; entre outros).

O conjunto de todas estas abordagens leva caracterizao da cartilagem articular,

importante na previso e preveno de situaes, quer normais, quer patolgicas.

4 Introduo

1.1. Objetivos

Com o presente trabalho pretende-se caracterizar a resposta mecnica da cartilagem articular

do joelho para compreender o funcionamento desta estrutura em situao normal. Pensa-se

que este um passo importante na previso do comportamento deste tecido em situaes de

patologia (osteoartrose) ou de acidentes. Este projeto de tese est inserido num grupo de

trabalho criado no mbito das atividades do LABIOMEP (Grupo do Joelho) que est focado

em caracterizar mecanicamente a articulao do joelho. Deste grupo surgiram trs temas de

dissertao relacionados com o estudo mecnico dos tecidos moles do joelho. O objetivo final

do grupo o de evoluir na rea da caracterizao mecnica experimental de tecidos, bem como

na simulao numrica da articulao do joelho a partir do estudo de cada uma das suas

estruturas em particular.

Esta dissertao tem como principal objetivo contribuir para a caracterizao do

comportamento biomecnico da cartilagem articular e divide-se essencialmente em duas

partes: (i) ensaios experimentais de compresso em amostras de cartilagem extradas de

joelhos de suno; (ii) criao de um modelo e simulao numrica de elementos finitos em

modelo tridimensional da articulao do joelho. Sendo assim, definiram-se os objetivos

especficos de:

Parte (i):

Obteno de amostras cilndricas de cartilagem e de cartilagem com osso subjacente;

Realizao de ensaios mecnicos de compresso confinada, compresso inconfinada

e testes de indentao;

Determinao experimental de propriedades mecnicas da cartilagem atravs dos

ensaios mecnicos realizados;

Parte (ii):

Gerao e utilizao de um modelo 3D de elementos finitos que contempla as

estruturas articulares do joelho importantes na caracterizao da cartilagem, que

comum a todos os projetos do Grupo do Joelho (modelo disponvel online atravs

do projeto Open Knee, (Erdemir & Sibole, 2010));

Focar a evoluo do modelo ao nvel da estrutura da cartilagem, dividindo-a em trs

partes fundamentais da morfologia deste tecido: zona superficial, zona mdia e zona

profunda;

Ajuste do modelo para simulao das propriedades mecnicas da cartilagem articular

em situaes especficas em estado normal e patolgico, atravs do mtodo de

elementos finitos;

Introduo das caractersticas mecnicas da cartilagem obtidas experimentalmente;

Validao do modelo numrico.

Captulo 1 5

1.2. Apresentao dos Captulos

Este trabalho encontra-se dividido em 9 captulos:

Captulo 1 - Introduo

feita uma introduo ao tema de dissertao, sendo definidos os seus objetivos e

apresentada a estrutura da dissertao.

Captulo 2 - Articulao do Joelho

Neste captulo feita uma breve descrio da terminologia anatmica elementar de

planos e eixos anatmicos, bem como a introduo estrutura e funo da articulao

do joelho. ainda focado neste captulo a mecnica do contacto, uma vez que o joelho

est sujeito a fenmenos de contacto, bem como os movimentos articulares desta

articulao.

Captulo 3 - Cartilagem Articular

Este o captulo que abrange toda a composio, estrutura e funo da cartilagem

articular, introduzindo ainda o seu comportamento mecano-eletroqumico (associado

aos componentes do tecido) e os motivos que levam sua falncia mecnica ou

desgaste. feita a descrio da osteoartrose, assim como de alguns dos procedimentos

cirrgicos mais comuns no tratamento da doena.

Captulo 4 - Biomecnica da Cartilagem Articular

Neste captulo so apresentados alguns conceitos fundamentais da mecnica dos

materiais que devem ser tidos em conta em qualquer estudo mecnico. feita uma

abordagem aos diferentes modelos constitutivos que hoje em dia so empregues numa

anlise de elementos finitos e so ainda caracterizados os ensaios mecnicos de

compresso que sero realizados em amostras de cartilagem de suno.

Captulo 5 - Ensaios Experimentais de Compresso

Este captulo apresenta toda a metodologia adotada para a realizao de ensaios

mecnicos de compresso em amostras de cartilagem. descrito o mtodo de recolha

de amostras, assim como os procedimentos de ensaios realizados. Por fim so

apresentados e analisados os resultados encontrados nesta fase de trabalho.

Captulo 6 - Modelao por Elementos Finitos

Este captulo pretende apresentar o mtodo de elementos finitos, sendo feita uma breve

histria da sua evoluo, bem como descritas as caractersticas que o definem. Nesta

6 Introduo

fase introduzido o trabalho realizado sobre o modelo de elementos finitos utilizado em

todo o projeto, no que diz respeito modelao da geometria da cartilagem, definio

da malha de elementos finitos, atribuio de propriedades mecnicas, aplicao de carga

e condies fronteira.

Captulo 7 - Simulao Numrica

Neste captulo so apresentados os resultados obtidos relativamente parte de

simulao numrica do modelo 3D da articulao do joelho. Foram estudadas situaes

de carga em dois estados da cartilagem do joelho saudvel e osteoartrtico e ainda a

introduo das caractersticas obtidas experimentalmente, atravs do clculo das tenses

e deformaes sofridas por cada um dos componentes do joelho, com especial nfase

para as cartilagens.

Captulo 8 - Discusso dos Resultados

Neste captulo so discutidos os resultados obtidos nas duas fases do trabalho,

apresentando-se as limitaes encontradas.

Captulo 9 - Concluso e Trabalho Futuro

Neste ltimo captulo so expostas as concluses do trabalho, a relevncia clnica do

presente estudo e sugestes para futuros desenvolvimentos do mesmo.

Captulo 2

Articulao do Joelho

Articulao do Joelho

O joelho a articulao intermdia do membro inferior e uma das articulaes mais

complexas do corpo humano. Por se situar entre dois ossos de grande comprimento (fmur e

tbia), suporta foras e momentos bastante elevados, tornando-se particularmente exposto a

leses, quer traumticas (relativas a acidentes), quer degenerativas (associadas ao desgaste ou

ao envelhecimento).

A articulao do joelho transmite cargas, participa no movimento, auxilia na conservao

do equilbrio e promove a amplificao das foras transmitidas perna.

Este captulo pretende introduzir os aspetos mais importantes da anatomia da articulao

do joelho, bem como a sua estrutura, sendo estes pontos essenciais para um melhor

entendimento do seu comportamento biomecnico.

2.1. Terminologia Anatmica Elementar

Existem termos especficos que descrevem a localizao e posio das regies do corpo.

Devido ao facto destes termos serem frequentemente utilizados ao longo da dissertao,

importante a familiarizao com os mesmos.

2.1.2. Posio Anatmica, Planos e Eixos de Referncia

A posio anatmica uma posio de referncia que d significado aos termos direcionais

utilizados na descrio das partes e regies do corpo humano. Nesta posio o corpo

encontra-se numa posio ortosttica (em p), com os membros superiores estendidos ao lado

do tronco e as palmas das mos voltadas para a frente; os membros inferiores e calcanhares

esto unidos e o olhar voltado para o horizonte. Na Figura 2.1(a) est representada a posio

8 Articulao do Joelho

anatmica. Segundo esta posio existem vrios eixos e planos (representados na Figura

2.1(b)), sendo que estes delimitam o corpo atravs de linhas ou planos imaginrios numa

determinada direo, (Duarte, 2009; Herlihy & Maebius, 2002; Seeley et al., 2014). Na mesma

imagem ainda possvel verificar alguns termos direcionais importantes, como distal e

proximal e anterior e posterior.

(a) (b)

Figura 2.1 - Ilustraes representativas de: (a) posio anatmica, (Adaptado de Duarte, 2009); (b) distribuio

dos eixos e planos do corpo e termos direcionais, (Adaptado de Nordin & Frankel, 2012).

2.2. Artrologia do Joelho

Uma articulao o local de encontro entre dois ou mais ossos, desempenhando a funo de

unio entre estes, e proporcionando mobilidade e flexibilidade ao esqueleto rgido, (Herlihy &

Maebius, 2002). As articulaes podem ser classificadas segundo a constituio dos tecidos

que fazem a conexo entre os componentes das mesmas, existindo trs tipos: fibrosas,

cartilagneas e sinoviais, (Duarte, 2009; Seeley et al., 2014). O joelho humano considerado

uma articulao sinovial (ou diartrose). Este tipo de articulao caracterizado por apresentar

grande amplitude de movimentos. Ostenta uma cpsula articular (Figura 2.2(a)), constituda

Plano

Frontal

Eixo Coronal Eixo Antero-

-Posterior

(ou Sagital)

Plano Transversal

(ou Axial)

Plano Sagital

Eixo

Longitudinal

Proximal

Distal

Captulo 2 9

por duas membranas - fibrosa externa e sinovial interna. Esta ltima encontra-se voltada para

a cavidade articular e a responsvel pela produo do lquido ou fluido sinovial, que

composto por cido hialurnico e tem a funo de lubrificar a articulao, diminuindo o atrito

entre as superfcies sseas, (Duarte, 2009; Herlihy & Maebius, 2002; Seeley et al., 2014). A

Figura 2.2(b) representativa destas estruturas, de acordo com a articulao do joelho.

(a) (b)

Figura 2.2 - Ilustrao da articulao do joelho: (a) cpsula articular intacta, (Adaptado de (eOrthopod: Medical

Multimedia Group, 2012); (b) cpsula articular em plano sagital, (Adaptado de Herlihy & Maebius, 2002).

Uma diartrose pode ser classificada de acordo com vrios critrios, (Duarte, 2009):

(i) quanto ao nmero de ossos articulados, sendo simples quando articulam dois ossos

ou compostas quando se d entre trs ou mais ossos;

(ii) quanto ao eixo de movimento, podendo ser classificada em monoaxial, biaxial ou

triaxial, dizendo, estes conceitos, respeito ao movimento em torno de um, dois ou

trs eixos, respetivamente;

(iii) quanto forma das superfcies articulares.

Em relao ao ltimo ponto existem vrias formas, sendo o joelho tradicionalmente

considerado como tipo dobradia (Figura 2.3(a)), (Duarte, 2009; Seeley et al., 2014). Este tipo

de analogia considera uma articulao uniaxial, onde um osso de forma convexa encaixa num

outro com uma concavidade correspondente, permitindo os movimentos de flexo e extenso

da perna, como se verifica na Figura 2.3(b). Contudo, sabe-se que o joelho apresenta tambm

movimentos de rotao, apresentando, na verdade, seis graus de liberdade (Figura 2.9),

(Nordin & Frankel, 2012; Seeley et al., 2014).

Fmur

Tbia

Cpsula

articular

Rtula

Membrana

sinovial

Lquido

sinovial

Menisco lateral

Cartilagem

articular


(a) (b)

Figura 2.3 - Movimentos da articulao do joelho: (a) analogia de dobradia; (b) movimentos de flexo e extenso;

(Adaptado de Seeley et al., 2014).

2.3. Estrutura do Joelho

A estrutura do joelho proporciona a transmisso de cargas no membro inferior e permite o

movimento do mesmo. Esta articulao combina uma grande variedade de tecidos altamente

especializados, que lhe proporcionam excelentes propriedades mecnicas. Todas as estruturas

que a constituem trabalham em conjunto para garantir a sua mobilidade e estabilidade,

permitindo a sua normal funo na mobilidade humana.

2.3.1. Ossos

A articulao do joelho o local de encontro entre dois dos ossos do membro inferior - o

fmur, osso da coxa; e a tbia, osso da perna. ainda composto por outro osso denominado de

rtula (ou patela), que se situa na parte anterior do joelho. Sendo assim, trata-se de uma dupla

articulao, uma vez que composto pela ligao dos cndilos da extremidade distal do fmur

com os cndilos da extremidade proximal da tbia (articulao tbio-femoral); e pela ligao

da extremidade distal anterior do fmur com a parte posterior da patela (articulao

patelo-femoral), (Duarte, 2009; Herlihy & Maebius, 2002).

Do lado lateral da tbia existe um outro osso, denominado pernio. Este no faz parte da

articulao do joelho, uma vez que no contribui para o movimento, contudo apresenta uma

superfcie articular com a parte proximal da tbia e o local de fixao de um dos ligamentos

principais da articulao do joelho, (Nordin & Frankel, 2012; Seeley et al., 2014).

Na Figura 2.4 esto representadas todas estas componentes sseas que integram o joelho.

Captulo 2 11

Figura 2.4 - Ossos do joelho humano (vista anterior), (Adaptado de eOrthopod: Medical Multimedia Group, 2012).

2.3.2. Tecidos Moles

Para alm dos ossos o joelho tambm constitudo por tecidos moles, sendo estes: os

ligamentos, os meniscos e as cartilagens articulares.

Os ligamentos so constitudos por tecido fibroso conectivo que tem como funo a ligao

dos ossos. Estas estruturas so essenciais para o funcionamento correto do joelho, uma vez

que providenciam a estabilidade da articulao, controlando o deslocamento da tbia em

relao ao fmur nas direes antero-posterior (atravs dos ligamentos cruzados) e

medial-lateral (pelos ligamentos colaterais. So quatro os ligamentos mais importantes do

joelho - ligamento cruzado anterior (LCA), ligamento cruzado posterior (LCP), ligamento

colateral lateral (LCL) e ligamento colateral medial (LCM), representados na Figura 2.5.

Existe ainda o ligamento patelar, fazendo a conexo entre a rtula com os dois grandes ossos,

fmur e tbia, (Herlihy & Maebius, 2002; Seeley et al., 2014).

Vista anterior Vista Posterior

Figura 2.5 - Diferentes ligamentos do joelho, (Adaptado de eOrthopod: Medical Multimedia Group, 2012).

LCM

LCL

LCA LCP

LCA

Fmur

Pernio

Rtula

Tbia


Os meniscos so duas estruturas semicirculares, com forma de C, e encontram-se

posicionados entre os ossos fmur e tbia, um de cada lado (lateral e medial), (Figura 2.6). Os

seus tecidos so estruturas fibrocartilaginosas e tm como principal funo o amortecimento

articular, assim como a distribuio do peso exercido sobre o joelho. Sem os meniscos, o peso

que provm do fmur seria concentrado num ponto especfico da tbia, no entanto, com a

presena desta estrutura, o peso espalhado pela superfcie do topo da tbia. Esta distribuio

do peso importante no sentido de proteo da cartilagem articular em relao a foras

excessivas ou concentrao de foras, o que poderia causar dano na superfcie deste tecido,

levando mais facilmente sua degenerao ao longo do tempo. Para alm disto, os meniscos

ajudam os ligamentos na manuteno da estabilidade da articulao, (Baquedano, 2004;

Seeley et al., 2014).

Figura 2.6 - Ilustrao da posio dos meniscos na articulao do joelho, (Adaptado de eOrthopod: Medical

Multimedia Group, 2012).

Outro dos componentes do joelho a cartilagem articular. Esta envolve as extremidades

distais do fmur, o topo da tbia e a face posterior da rtula, como se pode ver na Figura 2.7.

A cartilagem uma substncia com textura superficial escorregadia, que providencia uma

superfcie mais suave na zona de contacto entre os ossos, facilitando o movimento. Esta

estrutura o foco de toda a dissertao e, por isso, ser descrita pormenorizadamente no

captulo seguinte.

Figura 2.7 - Localizao das cartilagens articulares dos diferentes ossos do joelho, (Adaptado de eOrthopod:

Medical Multimedia Group, 2001).

Menisco Medial Menisco Lateral

Cartilagens Tibiais

Tbia Pernio

Cartilagem

Articular

Tbia

Fmur

Rtula

Captulo 2 13

2.4. Mecnica das Articulaes

O conceito de articulao inclui, necessariamente, o contacto entre duas ou mais superfcies

que, no caso das grandes articulaes do corpo humano (joelho; anca) so formadas por osso

revestido de cartilagem articular.

A principal funo da cartilagem a distribuio das cargas impostas ao osso de uma forma

uniforme sobre a superfcie articular, bem como a reduo do atrito e, consequentemente, o

desgaste das superfcies da articulao. Estas cargas podem ser extremamente variadas, sendo,

no caso do joelho, geralmente dinmicas, intermitentes e severas, (Baquedano, 2004). Os

valores das mesmas so elevados e no se devem apenas ao peso dos segmentos corporais e

cargas externas, mas tambm a foras inerciais e musculares que atuam para estabilizar a

articulao, e que se traduzem em tenses de contacto, (Baquedano, 2004; Completo &

Fonseca, 2011). Por sua vez, a transmisso destas cargas mecnicas produz fenmenos de

frico e desgaste, que so reduzidos devido estrutura e propriedades dos tecidos das

superfcies de contacto.

Posto isto, importante o estudo da mecnica do contacto, uma vez que a articulao do

joelho est fortemente envolvida em problemas de contacto entre as suas estruturas.

2.4.1. Mecnica do Contacto

A mecnica do contacto estuda as tenses e deformaes impostas quando as superfcies de

dois corpos slidos esto em contacto. Um problema de contacto normal resume-se ao contacto

entre dois corpos atravs de foras que so perpendiculares s suas superfcies, (Popov, 2010).

So distinguidos dois tipos de contacto: (i) contacto conformado, quando as superfcies dos

dois corpos se ajustam entre si sem que haja deformao; e (ii) contacto no-conformado, que

ocorre quando os corpos apresentam perfis dissimilares (caso do joelho humano), (Johnson,

1985).

A teoria de Hertz (ou Teoria Hertziana) assenta no pressuposto do contacto entre dois

slidos perfeitamente elsticos, isotrpicos e homogneos, (Campos, 1994), onde no existe

atrito, sendo que apenas transmitida uma presso normal entre os corpos, (Johnson, 1985).

As tenses de contacto Hertziano referem-se s tenses localizadas que se desenvolvem

nos materiais, devido ao contacto entre duas superfcies curvas que, ao se tocarem, se

deformam ligeiramente sob as cargas impostas. Esta quantidade de deformao dependente

do mdulo de elasticidade, ou mdulo de Young (), dos materiais em contacto. Sendo assim,

as tenses de contacto so encontradas em funo da carga normal aplicada, dos raios de

curvatura de ambos os corpos em contacto, bem como dos seus mdulos de elasticidade,

(Johnson, 1985; Popov, 2010).


Durante a ao de uma carga, os corpos deformam-se na vizinhana da zona inicial de

contacto, no havendo penetrao de material, e formando uma rea ou superfcie de contacto.

Esta rea relativamente pequena, em comparao com as dimenses dos corpos em contacto.

Estes so considerados como semi-espaos elsticos, onde as deformaes locais so

pequenas, mas as tenses geradas so elevadas e extremamente concentradas na regio da zona

de contacto, decrescendo rapidamente para pontos mais afastados do ponto inicial de contacto,

(Campos, 1994; Johnson, 1985; Popov, 2010). A Figura 2.8 representa um padro tpico de

tenses geradas numa rea de contacto. Este tipo de padro pode ser visvel com o uso de

tcnicas como a fotoelasticidade, onde a polarizao da luz alterada proporcionalmente

tenso de corte instalada, isto 1 2, (Sharpe, 2008).

A Teoria Hertziana diz respeito a uma situao ideal, no entanto, as articulaes do corpo

humano, e principalmente o joelho, apresentam uma geometria complexa que envolve atrito,

o que exige um estudo mais profundo sob o seu movimento, carregamento e tenses geradas.

Figura 2.8 - Padro de tenses obtidas por fotoelasticidade na regio de contacto, (Popov, 2010).

2.4.2. Fenmenos de contacto no joelho

Pelo facto da articulao do joelho se comportar com um efeito de dobradia (como descrito

em 2.2.), existem fenmenos de contacto associados entre as estruturas que a compe. Tendo

em conta a anatomia do joelho, desde logo se destacam cinco pares de contacto: (i) fmur e

cartilagem femoral; (ii) cartilagem femoral e cartilagem tibial, (iii) cartilagem femoral e

meniscos; (iv) meniscos e cartilagem tibial; e (v) cartilagem tibial e tbia, (John et al., 2013).

O movimento principal da articulao tbio-femoral o de flexo e extenso, sendo que

medida que este efetuado, as diferentes estruturas contactam entre si em pontos diferentes,

gerando foras de compresso. No entanto estas reaes ocorrem, quer a articulao esteja

parada, quer esteja em movimento, devido ao baixo coeficiente de atrito entre as superfcies

Captulo 2 15

articulares, proporcionado pelo fluido sinovial e superfcies suaves da cartilagem articular. A

direo destas foras de compresso depende das magnitudes e direes da carga funcional e

da fora muscular associada articulao. A articulao consegue a sua estabilizao atravs

das curvaturas das superfcies em contacto, sendo que, de forma voluntria, procura uma

posio de contacto consistente com a gerao de uma fora de reao apropriadamente

direcionada, (Completo & Fonseca, 2011). Vrios autores acreditam que os danos que ocorrem

ao nvel da cartilagem articular do joelho so mecanicamente induzidos pelas tenses de

contacto existentes na articulao, (Vidal et al., 2007; Donahue et al., 2002). Neste facto reside

o interesse no estudo de fatores mecnicos associados ao joelho.

Vrias investigaes tm reportado diferentes abordagens na anlise mecnica do joelho.

Os resultados publicados na literatura sugerem uma gama de tenses ao nvel da cartilagem

articular de 0.15-34 MPa, com diferentes configuraes de carregamento e variando a fora

imposta (700-2275 N), sendo que o lado medial da articulao do joelho , na maior parte dos

casos, o mais afetado, (Carter & Wong, 2003; Donahue et al., 2002; Y. Guo et al., 2009;

Kubcek & Florian, 2009; Mononen et al., 2011; Vidal et al., 2007). Os meniscos tm um

importante papel na distribuio da carga ao longo da articulao tbio-femoral, e neles que

se concentram os maiores valores de tenso associados ao carregamento por compresso de

toda a estrutura do joelho.

2.4.3. Desgaste das Articulaes

O desgaste das superfcies de contacto de uma articulao consiste numa perda de material das

mesmas devido a fatores mecnicos e qumicos, sendo este ltimo, geralmente, devido

corroso. Existem dois tipos principais de desgaste mecnico: (i) desgaste superficial, que

consequncia do contacto entre as superfcies e depende da rugosidade das mesmas, da rea

de contacto e da magnitude da carga aplicada; e (ii) desgaste por fadiga, devido a tenses e

deformaes cclicas geradas pela aplicao de cargas repetitivas, sendo dependente da

frequncia das cargas e das propriedades do material em questo, (Baquedano, 2004).

A taxa de desgaste nas articulaes humanas saudveis extremamente baixa. A

degradao do lquido sinovial ou da cartilagem articular conduz a um aumento do atrito e do

desgaste, acompanhado da reduo de mobilidade e de dor nas articulaes. No entanto, e

apesar da importncia deste problema, os processos de desgaste nas articulaes sinoviais so

ainda pouco compreendidos, (Completo & Fonseca, 2011).

2.5. Movimentos Articulares do Joelho

O joelho sustm foras e momentos bastante elevados, por se situar entre dois ossos de elevado

comprimento, o que o torna particularmente sujeito a leses. Deste modo, necessria uma


boa compreenso e anlise das foras e movimentos a que esta articulao est sujeita,

(Completo & Fonseca, 2011).

O movimento do joelho ocorre simultaneamente em trs planos: frontal, sagital e

transversal (Figura 2.9); contudo, para a maioria dos movimentos desta articulao, o plano

sagital dominante, (Completo & Fonseca, 2011; Nordin & Frankel, 2012).

Vrios msculos geram foras no joelho. Uma anlise biomecnica bsica pode resumir-se

ao movimento num plano e fora exercida por um grupo de msculos, sendo que esta

simplificao permite uma compreenso dos movimentos e uma previso das principais foras

e momentos no joelho, (Completo & Fonseca, 2011). Contudo, uma anlise dinmica mais

avanada da biomecnica desta articulao, inclui todos os tecidos moles, estruturas

complexas que continuam a ser objeto de investigao.

O estudo dos movimentos de uma qualquer articulao pressupe conceitos nas reas da

cinemtica e cintica, bem como da sua estabilidade.

2.5.1. Cinemtica do Joelho

A cinemtica o captulo da mecnica que estuda o movimento do corpo sem referenciar

foras ou massas, definindo e descrevendo a amplitude e a superfcie de movimento de uma

articulao, (Completo & Fonseca, 2011; Nordin & Frankel, 2012). Qualquer alterao destes

casos ir alterar a normal distribuio de cargas na articulao e resultar em consequncias

prejudiciais. Uma anlise cinemtica do ciclo de marcha de um indivduo permite medir o

movimento do joelho em todos os planos.

A amplitude de movimento da articulao tbio-femoral extremamente importante para

o desempenho do joelho nas vrias atividades fisiolgicas. Nesta articulao a amplitude de

movimento superior no plano sagital, sendo que o movimento varia dos 0 (extenso

mxima) para aproximadamente 140 (flexo mxima), (Completo & Fonseca, 2011).

O movimento no plano transversal, rotao interna-externa, influenciado pela posio da

articulao no plano sagital. A amplitude de rotao do joelho aumenta medida que este flete,

atingindo-se o mximo a 90 de flexo (representados na Figura 2.10(b)). Com o joelho nesta

ltima posio, a rotao externa e interna variam entre 0-45 e 0-30, respetivamente,

(Completo & Fonseca, 2011; Nordin & Frankel, 2012).

O movimento no plano frontal, varo-valgo, tambm afetado pelo movimento de flexo,

uma vez que a extenso completa do joelho limita praticamente a totalidade do movimento no

plano frontal, (Completo & Fonseca, 2011; Nordin & Frankel, 2012).

A articulao patelo-femoral revela um movimento de deslizamento, sendo que no

movimento de extenso-flexo a patela desliza sobre os cndilos do fmur, onde a rea de

contacto aumenta com a flexo do joelho e a fora exercida pelos msculos associados,


Captulo 2 17

Figura 2.9 - Representao geomtrica e designaes atribudas aos seis graus de liberdade na movimentao do

joelho, (Adaptado de Nordin & Frankel, 2012).

(a) (b)

Figura 2.10 - Movimentos do joelho: (a) Joelho em extenso; (b) Joelho fletido a 90; (Adaptado de Putz, 2006).

2.5.2. Cintica e Estabilidade do Joelho

A cintica o captulo da mecnica que estuda o movimento do corpo sob o efeito da ao de

foras e momentos, envolvendo, simultaneamente, uma anlise esttica e dinmica, (Nordin

& Frankel, 2012). As foras e momentos nas articulaes do joelho dependem do peso, da

ao muscular, da resistncia dos tecidos moles, das cargas externas, da atividade fsica e do

estado da articulao, (Completo & Fonseca, 2011).

Translao (Proximal/Distal)

Rotao (Interna/Externa)

Translao (Medial/Lateral)

Rotao (Flexo/Extenso)

Rotao (Varo/Valgo)

Translao (Anterior/Posterior)


O joelho encontra-se sujeito a tenses de contacto, formadas por esforos de compresso

que resultam do contacto entre as vrias estruturas do mesmo que ocorrem durante o

movimento. A direo destas foras depende das magnitudes e direes da carga funcional e

da fora muscular associada articulao do joelho, (Completo & Fonseca, 2011).

A estabilidade articular a capacidade que a articulao apresenta para manter uma

posio funcional apropriada ao longo de toda a amplitude de movimento. Uma articulao

estvel se, quando ao mover-se no seu campo de amplitude normal, for capaz de transferir as

cargas funcionais a que est sujeita, sem provocar dor, gerando foras de contacto de

intensidade normal nas superfcies da cartilagem articular, (Completo & Fonseca, 2011).

Sendo assim, a estabilidade articular torna-se um requisito essencial para que um indivduo

realize atividades dirias.

Todas as estruturas do joelho contribuem para a estabilidade deste durante o movimento.

Se uma destas estruturas est defeituosa ou alterada, h instabilidade da articulao e esta no

realiza a sua normal funo.

2.5.3. Ciclo de Marcha

A marcha uma sequncia repetitiva de movimentos rtmicos e alternados dos membros

inferiores que proporciona a locomoo anterior do corpo enquanto, simultaneamente, mantm

a estabilidade no apoio. Durante a marcha, um membro atua como suporte mvel estando em

contacto com o solo, enquanto o membro contra lateral avana no ar. Este conjunto de

movimentos repete-se de uma forma cclica e os membros invertem as suas funes a cada

passo. A sequncia simples do apoio e avano de um nico membro denominada de ciclo de

marcha, (Completo & Fonseca, 2011; Knudson, 2007; Nordin & Frankel, 2012).

O ciclo de marcha , ento, a sequncia de movimentos que ocorre entre dois contactos

sucessivos do mesmo p com o solo. As duas principais fases do ciclo de marcha so a fase de

apoio, em que o p est em contacto com a superfcie de apoio, e a fase de balano, que

corresponde ao perodo em que o p no est em contacto com a superfcie de apoio,

terminando esta fase no momento em que o calcanhar contacta novamente o solo. O ciclo de

marcha dura aproximadamente um segundo, sendo que a fase de apoio ocupa entre 51 a 60%

do ciclo e a fase de balano entre 38 a 40% do mesmo. Cada uma destas fases pode ainda ser

dividida em subfases, dependendo do grau de profundidade do estudo que as investiga,


A articulao do joelho uma das mais importantes na locomoo do indivduo, sendo

que, ao longo da marcha, esta adquire o movimento certo para que todas as fases do ciclo

sejam executadas. Ao caminhar o ngulo de flexo/extenso da sub-articulao tbio-femoral

vai-se alterando assim como as condies de carregamento impostas. As trs principais

subfases do ciclo de marcha onde so geradas cargas de interesse ao nvel do joelho

Captulo 2 19

encontram-se na fase de apoio unipodal, subdividindo-se em: (i) apoio do calcanhar (Figura

2.11(a)); (ii) apoio plantar (Figura 2.11(b)); e (iii) apoio dos dedos (Figura 2.11(c)). A

imposio de carga no joelho aquando o ato de caminhar tem vindo a ser estudada e algumas

investigaes concluem que estas trs subfases representam, respetivamente, os ngulos de

flexo da articulao tbio-femoral de 5.5, 15.5 e 4

caracterizaÇÃo das propriedades mecÂnicas das … · cartilagem articular e dos seus tecidos...

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