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Felipe P Carpes
Biomecânica de tendões, ligamentos e músculo esquelético
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Ossos
Articulações
Tendões -Ligamentos
Músculos
SNC
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Objetivos da aula
Discutir as propriedades mecânicas de ossos, músculos, articulações, tendões e ligamento;
Apresentar conceitos básicos referentes ao sistema músculo-esquelético e suas características biomecânicas;
Descrever mecanismos de interação entre os tecidos ósseo, muscular e nervoso com base na neuromecânica;
Apresentar fatores selecionados que influenciam as propriedades mecânicas destes tecidos.
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• Estruturas passivas
• Ligamento: aumenta estabilidade, guia o movimento, limita a amplitude de movimento
• Tendão: transmite cargas do músculo ao osso, permite o movimento
Tendões e ligamentos
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Diferença nos feixes da arquitetura
Tendões Ligamentos
Ligam o músculo ao osso Ligam duas estruturas ósseas
99% colágeno tipo I – mais denso
1% colágeno do tipo II
90% colágeno do tipo I10 % colágeno do tipo II
Fibras ordenadas paralelamente Fibras paralelas e outras oblíquas
Cargas tensionais unidirecionais Cargas tensionais em uma direção principal e em direções secundárias
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Tendão (T) x Ligamento (L)
T L
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Quanto maior a AST do
ligamento/tendão, maior a
resistência a ruptura
com carga
sem carga
Deformação
Tensão
Comportamento mecânico de um tendão
Histeresetendência de um material ou sistema de conservar suas propriedades na ausência de um estímulo que as gerou
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Noyes et al, 1977
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Entorses de tornozelo
Grau I (leve) estiramento da regiãoGrau II (moderado) estiramento e ruptura parcial (pode gerar edema)Grau III (grave) estiramento e ruptura total com possível avulsão
do osso (envolve edema)
Relação entre a AST do músculo e AST do tendão => força muscular transferida
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Coelhos – o tendão é responsável por boa parte do estiramento
do SO em tensões que correspondem ao
repouso fisiológico
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Tendão de Aquiles livre (sem aponeurose) suportou uma
deformação de 8% enquanto a aponeurose suportou 1,4%.
O tendão pareceu ser mais “elástico” do que a aponeurose.
Os aspectos mecânicdos do tendão e aponeurose do tríceps sural são de grande importância devido a sua participação na locomoção, onde
cargas de até 11kN/cm2 são observadas (Komi et al 1987, 1992).
As diferenças entre a aponeurose e o tendão, e os alto risco que ambos
apresentam de lesão (junção músculo-tendínea) permanecem sendo desafios para os estudos
clínicos.
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LCP - Função normal
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LCP - ruptura LCP – avulsão da tíbia
VIDEOS lesão joelho
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Envelhecimento
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Imobilização
Mesmo após 8 semanas de imobilização o tendão tenha perdido rigidez, o principal efeito da imobilização foi sobre o tendão em si, mas sobre a ocorrência de osteoporose na inserção.
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Músculo Esquelético
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Involuntário
órgãos internos
núcleo central
Involuntário
estriado
núcleo central
Voluntário
estriado
multinucleado
Tipos de tecido muscular
Músculo esquelético Músculo cardíaco Músculo liso
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COMPONENTES DO MÚSCULO
COMPONENTES ELÁSTICOS
São aqueles que retornam a sua forma original após o relaxamento. Exemplo:
Miofilamentos e o tecido conjuntivo.
COMPONENTES PLÁSTICOS
São aqueles que não retornam à forma original cessada a contração, se não
houver influência externa. Exemplo:
Mitocôndrias
Retículo Sarcoplasmático
Sistema Tubular
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O diâmetro das fibras musculares varia entre 10 e 80 μm, sendo que o maior músculo humano (em relação a área transversa) é o glúteo.
No andar, se utiliza cerca de 200 músculos, sendo que o corpo humano possui mais de 600 músculos, o andar envolve atividade de cerca de 40% da nossa musculatura.
O músculo capaz de realizar o movimento mais rápido no corpo humano é aquele responsável pelo movimento das pálpebras.
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Organização espacial dos músculos
Posteriores
MediaisAnteriores
FemurBBFF
SSTT
SSMM
VLVL
VMVM
RRFF
AMAM
ALAL
SASA
Gr.
Gr.
VL vastus lateralis
VM vastus medialis
RF rectus femoris
SA sartorius
AM adductor magnus
AL adductor lateralis
GR gracilis
BF biceps femoris
SM semitendinosus
SM semimembranus
Organização espacial dos músculos - coxa
Ucalgary, HPL
posteriores
Posteriores profundos
anteriores
laterais
tibia
fibulasoleussoleus
FHLFHL
TTPPE
DL
ED
LE
HL
EH
L
TATA
PL
PL
PB
PB
gastrocnemiusgastrocnemius
FD
LF
DL
Organização espacial dos músculos - perna
GM gastroc medialis
SO soleous
FHL flex hallucis long
PB peroneous brevis
PL peroneous longus
EDL ext digit long
EHL ext hallucis long
FDL flex digitorium long
TA tibialis anteriorUcalgary,HPL
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LocomoçãoMúsculos e ossos: forças e alavancas
Posicionamento do corpoMovimentos rápidos, lentos, acelerações,
desacelerações
PosturaMantém posturas (boas e más), estabilidade articular
Funções primárias relacionadas ao movimento
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Controle postural
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Músculo
Fascículos
Fibras musculares
Miofibrila
Sarcômero
Fibras musculares
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Vídeos contração muscular
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Duchenne - estimulação de músculos da face
Eletromiografia
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Vídeos EMG profundidade Matheus
Vídeos EMG superfície
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EMG – como isso funciona?
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Força / EMG
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Vídeo EMG força-velocidade isocinético
VídeosSuperfície e wire-EMG
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Eficiência neuromuscular
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iEM
G
Força
antes
depois
Aumento na ativação
Sem mudanças na razão EMG/FiE
MG
Força
Sem mudanças na ativação
Aumento na razão EMG/F
Figura 1 (A) Figura 1 (B)
=
≠
Ganho de força por fatores neurais Ganho de força por fatores hipertróficos
Avaliação da participação de fatores neurais e hipertróficos
Moritani & Devries, 1979
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Tipos de fibra
Lentas - I (“vermelhas”)Rápidas – IIa, IIb (“brancas”)
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Recrutamento em uma contração voluntária máxima
Nív
el d
a c
on
tra
ção
(%
CV
M)
Participação de cada tipo de fibra (%)
Tipo I
Tipo IIa
Tipo IIb
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Recrutamento de acordo com a força requerida
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Johnson et al 1973
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Johnson et al 1973
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Johnson et al 1973
unipenado
multipenado
bipenado
fusiforme
Arquitetura muscular
Secção transversa Secção transversa anatômicaanatômica
Secção fisiológicaSecção fisiológica
Perpendicular as fibras
Arquitetura muscular
Perpendicular ao músculo
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Muscle Nerve 23: 1647–1666, 2000
Músculos com maior área de seção transversa produzem mais força
Por quê?
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Knee Surg Sports Traumatol Arthrose 14:310-17, 2006
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A força total é proporcional aos número de sarcômeros em paralelo
A velocidade é proporcional a quantidade de sarcômeros em série
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O treinamento físico faz aumentar o ângulo de penação das fibras musculares
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Vídeo arquitetura muscular
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Músculos monoarticulares x biarticulares
MonoarticularesCruzam uma articulação
Produtores de forçaEstabilização articularControle de movimento
Penados na maioria
BiarticularesMúsculos longos
Fusiformes na maioriaControle e direcionamento de
grandes amplitudes de movimentoMais propensos a lesões
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Membro inferior humano
Cinemática de 3 segmentos (coxa, perna e pé); pé no solo.
A ação muscular cria um vetor de força F.
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(a) Extensores do quadril, monoarticulares (psoas)
(b) Extensores do joelho, monorticulares (grupo vastus)
(c) Extensores do tornozelo, monoarticular (soleus)
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(d) biarticular, rectus femoris, (flexor do quadril e extensor do joelho)
(e) biarticulares, posteriores da coxa (extensor do quadril e flexor do joelho)
(f) biarticular, gastrocnemius (flexor do joelho e extensor do tornozelo)
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Agonistas ou motores primáriosmúsculos responsáveis diretamente pelo movimento. Perfazem a maior parte do esforço.
Antagonistasmúsculos que se opõem ao movimento. Desempenham importante papel, pois desaceleram o movimento.
Sinergistas
atuam auxiliando o movimento, são responsáveis pela coordenação motora fina na atividade minimizando movimentos indesejados.
Classif icação quanto à tarefa
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Ações musculares
Concêntrica: músculo gera tensão enquanto seu comprimento diminui. Torque int > torque ext
Isométrica: músculo gera tensão mas não ocorre movimento
Excêntrica: músculo gera tensão enquanto seu comprimento aumenta. Torque int < torque ext
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Relação Força x Velocidade – Hill (1938)
Músculos longos – efeito em série predomina aumentando a VELOCIDADE
Músculos curtos – Efeito em paralelo, maior ASTF e predomina a FORÇA
Baseado em Herzog et al (2007)
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Fatores (selecionados) que influenciam a produção de força
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Zatsiorsky, 1996
Sexo e idade
Idade (anos)
Fo
rça
(N
)Homens
Mulheres
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Envelhecimento
2,17 µ
22
2,00 µ
3
1,70 µ
4
3,60 µ
11
1,27 µ
5
Fo
rça
( % m
áxim
a)F
orç
a ( %
máx
ima)
Comprimento (µm)Comprimento (µm)
123
4
01,27 2,00 3,60
5
2,171,70
Força x Comprimento
100
Gordon et al., 1966
Fibra de sapo
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Adaptação funcional do músculo-esquelético
Herzog et al, MSSE, 1991
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comprimento
mo
men
to
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Vaz et al., 2003
Jogadores de vôlei e bailarinas clássicas apresentam adaptações específicas para músculos flexores e extensores plantares
Encurtado Alongado
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Sistema musculoesquelético“Biomecanicamente...”
Ossos (O) – suporte e alavancas
Músculos (M) – produção de força
Articulações (A) – permitem a movimentação dos segmentos
Interação entre O, M e A gera movimento ou manutenção de posturas
Diversos aspectos influenciam esta relação
atividade física efeitos positivos
uso reduzido efeitos negativos
treinamento adaptação funcional
Qual o mecanismo de controle dessa(s) interação(ões)?
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Sistema Nervoso Central (SNC)
Unidade fundamental – neurônio
http://www.utexas.edu/neuroscience/Neurobiology/WesThompson/images/1nmj.jpg
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Neurônios motores: função de transmitir o sinal desde o SNC ao órgão efetor, para que este realize a ação que foi ordenada pelo comando central.
Neurônios sensores: são os neurônios que reagem a estímulos exteriores e que disparam a reação a esses estímulos, se necessário.
Interneurônios: mais numeroso. Conecta os neurônios motores e sensoriais.
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Sistema Nervoso Central (SNC)
Unidade fundamental – neurônio
Neurônio + fibras musculares inervadas = unidade motora (UM)
Proporção entre nervos e fibras – determina precisão
menores – movimentos finos
maiores – movimentos grosseiros
UM de contração lentas
UM de contração rápida (IIa, IIB)
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Princípio do tamanho (Elwood Henneman)
Motoneurônios de menor diâmetro inervam fibras lentas (oxid)
Motoneurônios intermediários inervam fibras IIa (oxid/glicolit)
Motoneurônios de grande diâmetro inervam fibras IIb (glicol)
Motoneurônios de menor diâmetro são mais facilmente excitados
Logo:
Fibras lentas são estimuladas com limiares de excitação mais baixos
Fibras rápidas são estimuladas com limiares de excitação mais altos
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Recrutamento de acordo com a força requerida
(I)
Per
cent
ual d
e fib
ras
mus
cula
res
recr
utad
as
Força muscular
Leve Moderada Máxima
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Unidade Motora
Ação
Regulação
M a s . . .
medula espinhal
nervo espinhal
nervo espinhal (axônio)
Corpo celular do neurônio
fibra muscular
Representação de uma UM (modificado de Basmajian, 1955)
50/58
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Ação
Regulação
Como saber ‘quando’ e ‘como’ recrutar?
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VIAS = AFERENTES (“que aferem”) E EFERENTES (“que executam”)
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Das teorias de controle e aprendizagem motora temos que o processamento de informação baseia-se em experiências prévias, mas também depende da interação dinâmica com o ambiente
Adaptado de Lent (2003)
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O que detectam os ÓRGAO TENDINOSOS DE GOLGI?Variação da tensão mecânica sobre os tendões. Estão em série com às Fibras Extrafusais
O que detectam os ÓRGAO TENDINOSOS DE GOLGI?Variação da tensão mecânica sobre os tendões. Estão em série com às Fibras Extrafusais
O que detectam os FUSOS MUSCULARES?Variação de comprimento das fibras musculares. Estão paralelos às Fibras Extrafusais
O que detectam os FUSOS MUSCULARES?Variação de comprimento das fibras musculares. Estão paralelos às Fibras Extrafusais
Receptores proprioceptivos musculares Motoneurônios α recebem uma cópia da informação proprioceptiva e realizam ajustes automáticos reflexos necessários. As unidades ordenadoras (os motonêuronios) recebem informações a cerca da tensão e da variação do comprimento das fibras musculares.
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Referências básicas
• Hamill J, Knutzen KM. Bases biomecânicas do movimento humano. Manole: São Paulo, 1999.
• Enoka RM. Bases neuromecânicas da cinesiologia. 2.ed. Manole: São Paulo, 2000.
• Hall S. Basic biomechanics. 5.ed. McGrow Hill: Boston, 2007.
• Winter D.A. Biomechanics and motor control of human movement. 2.ed. John Wiley & Sons: New York, 1990.