UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLNDIA

FACULDADE DE ENGENHARIA ELTRICA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

SISTEMA DE REABILITAO BASEADO EM TCNICAS DE CAPTURA DE MOVIMENTO PARA TRATAMENTO DA

LOMBALGIA MECNICA

EDUARDO FILGUEIRAS DAMASCENO

TESE DE DOUTORADO

Orientador: Edgard Afonso Lamounier Jr, Ph.D. Coorientador: Alexandre Cardoso, Dr.

Uberlndia - MG, 2013

EDUARDO FILGUEIRAS DAMASCENO

SISTEMA DE REABILITAO BASEADO EM TCNICAS DE CAPTURA DE MOVIMENTO PARA TRATAMENTO DA

LOMBALGIA MECNICA

Tese apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica como parte das atividades para obteno do ttulo de Doutor em Cincias pela Faculdade de Engenharia Eltrica da Universidade Federal de Uberlndia, na rea de concentrao Processamento da Informao: Computao Grfica.

Prof Orientador: Edgard Afonso Lamounier Jr., Ph.D.

Prof Coorientador: Alexandre Cardoso, Dr.

Uberlndia - MG, 2013

i

DEDICATRIA

Dedico este trabalho quela que me faz ser

algum melhor do que sou, minha amada

esposa Tatiane e aos meus filhos Eduarda e

Pedro Natan, que impulsionam na luta por

um porvir melhor.

ii

AGRADECIMENTOS

Primeiramente a Deus, que renova

suas misericrdias a cada dia em minha

vida, e a todos os que me colaboraram de

forma direta ou indireta na elaborao

deste trabalho.

Cada vez que voc faz uma opo est transformando sua essncia em alguma coisa

um pouco diferente do que era antes.

C.S. Lewis

iii

RESUMO

DAMASCENO, Eduardo Filgueiras. Sistema de Reabilitao Baseado em Tcnicas

De Captura De Movimento Para Tratamento Da Lombalgia Mecnica, 2013, 131 p. Tese de

Doutorado em Engenharia Eltrica Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica,

Universidade Federal de Uberlndia UFU, Uberlndia, 2013.

A Lombalgia ou comumente chamada de dor lombar constitui uma causa

frequente de morbidade e incapacidade fsica de trabalho, sendo sobrepujada apenas pela

dor de cabea (cefaleia) na escala dos distrbios dolorosos que afetam a sociedade moderna.

O seu tratamento baseado em medicao (analgsicos) para aliviar os sintomas de dor e a

recomendao de exerccios teraputicos. Todavia, quando estes exerccios so realizados e

a dor deixa de ser percebida, o paciente abandona o tratamento, e em muitos casos, no tem

a sua amplitude de movimento totalmente reestabelecida. Para atenuar este ndice de abando

de terapias diversas tcnicas motivadoras vem sendo empregadas, como o uso de jogos

digitais e interfaces de entretenimento. Entretanto, estas abordagens apenas afloram a parte

ldica do tratamento, no apresentando dados concretos sobre a atuao do terapeuta ou

mesmo a realizao do exerccio e sua eficincia no tratamento. Assim, este trabalho

descreve um sistema de reabilitao baseado em tcnicas de captura de movimentos para o

tratamento de uma espcie de lombalgia, a Lombalgia Mecnica.

Esta tese apresenta o uso de tcnicas de captura de movimento em ambientes

aplicados reabilitao motora com alguns dispositivos como: eletrogonimetro,

extensmetro, acelermetro e outros dispositivos de interao mais comuns como webcams,

console de vdeo game (Nintendo Wii) e o sensor de movimento MS-KinectTM. A motivao

do trabalho se baseia no fato de que sistemas de captura de movimento por dispositivos de

vdeo tendem a ser economicamente mais viveis. Todavia os sistemas de captura de vdeo

atuais apresentam as seguintes limitaes: sobreposio e ocluso de marcadores fiduciais,

disparidade tica das cmeras, campo de viso e suas restries geomtricas. Portanto, este

trabalho apresenta uma proposta alternativa de captura de movimentos por meio de mltiplas

cmeras, em conjunto com a anlise dos parmetros intrnsecos das mesmas a fim de atenuar

estas limitaes. Para a anlise do movimento capturado foi desenvolvido um prottipo

computacional que rene as especificaes sobre o bitipo do paciente. A fim de avaliar a

eficcia do sistema proposto foi elaborado um questionrio adaptado sobre a incapacidade

de movimento dos pacientes. A partir destas premissas gerou-se um conjunto de informaes

que apoiam a deciso sobre o tratamento com sugestes de exerccios. Como forma de

validar as informaes presentes no sistema bem como suas regras de negcio, foi realizada

uma avaliao com um grupo de 5 terapeutas, e apresentada uma anlise da interface que foi

realizada por pacientes. Foram avaliados 20 voluntrios. Por meio desta anlise, foi possvel

identificar as potencialidades do prottipo, bem como evidenciar as estratgias de aplicao

do mesmo em pequenas clnicas fisioterpicas. Especialmente, aquelas que no possuem

espaos ou volume de investimento na infraestrutura para aquisio de sistemas de captura

de movimento de grande porte muito importante para anlise e recomendao de novos exerccios durante uma terapia reabilitadora.

Palavras-chave: Captura de Movimento; Reabilitao; Lombalgia

iv

ABSTRACT

DAMASCENO, Eduardo Filgueiras. Motion Capture Base Rehabilitation System

for Low-Back pain Treatment. 2013. 131 p. Doctoral Thesis in Electrical Engineering Post-

Graduate in Electrical Engineering, Federal University of Uberlndia UFU, Uberlndia,

2013.

The Lumbago or commonly called "low back pain" is a frequent cause of morbidity

and disability work, only surpassed by headache (headache) in the range of painful disorders

affecting modern society, and the treatment is based on medication (painkillers) to relieve

the symptoms of pain and recommending therapeutic exercise. However, when these

exercises are performed and no longer perceived pain, the patient drops the treatment, and

in many cases, having its range of movement fully reestablished. To mitigate this index

abandoned therapies motivators several techniques have been employed, such as the use of

digital games and entertainment interfaces. However, these approaches only emerge the

playful part of treatment showing no concrete data on the occupational or even exercise

performance and its efficiency in treatment. Therefore, this work describes a rehabilitation

system based on motion capture techniques for the treatment of a type of low back pain,

mechanical low back pain.

This thesis presents techniques use motion capture environments applied to motor

rehabilitation with some devices such as electrogoniometer, extensometer, accelerometer

and other common interaction devices such as webcams, video game console (Nintendo

WiiTM) and motion sensor MS-KinectTM. The motivation of the work is based on the fact

that motion capture systems for video devices tend to be more economically viable, however

the systems capture current video showed the following limitations: the overlap and

occlusion of the markers, the disparity optical cameras the field of view and their geometric

constraints. Therefore, this work presents an alternative proposal capture by multiple

cameras in conjunction with the analysis of the intrinsic parameters of the cameras involved

in the process to mitigate these limitations. For the analysis of motion captured was

prototyped a system that meets the specifications on the biotype of the patient and an adapted

questionnaire about their inability to move that, from these, form a set of information that

supports the decision about treatment with exercise suggestions . In order to validate the

information in the system as well as your business rules, an evaluation has made with a group

of five therapists, and presented an analysis of the interface has performed by 20 patients.

Those patients were surveyed volunteers. Through this analysis was possible to identify the

potential of the prototype, as well as highlight the strategies for implementing even small

physiotherapy clinics. Especially those that have no spaces or volume of investment in

infrastructure for systems acquisition motion capture large - very important for analysis and

recommendation of new exercises during a rehabilitative therapy.

Keywords: Motion Capture; Rehabilitation, Low-Back Pain

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LISTA DE ABREVIATURAS

AdM Amplitude de Movimento

ARMS Augmented Rehabilitation Management System

AV Ambiente Virtual

AVC Acidente Vascular Cerebral

AVD Atividades da Vida Diria

EVA Escala Visual Analgica

FPS Frames per Second (Quadros por Segundo)

HMD Head Mounted Display

LM Lombalgia Mecnica

IMC ndice de Massa Corporal

RA Realidade Aumentada

RF Requisitos Funcionais

RNF Requisitos No Funcionais

RV Realidade Virtual

RVA Realidade Virtual e Aumentada

SDL Simple Direct Layer

UML Unified Modeling Language

VC Viso Computacional

XML Extensible Markup Language

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GLOSSRIO DE SADE

Acidente Vascular Cerebral Vulgarmente chamado de derrame cerebral,

caracterizado pela perda rpida de funo neurolgica, decorrente do entupimento (isquemia) ou rompimento (hemorragia) de vasos sanguneos cerebrais.

Artrose A artrose degenerao da articulao que pode ser causada pelo envelhecimento ou traumatismo e gera sintomas como dor nas juntas e dificuldade em realizar movimentos com a articulao afetada.

Cinesioterapia o nome dado a terapia do movimento, ou seja, os exerccios teraputicos que envolvem o sistema locomotor humano. a designao dos processos teraputicos que visam a reabilitao funcional atravs da realizao de movimentos ativos e passivos.

Lombalgia o conjunto de manifestaes dolorosas que acontecem na regio da coluna lombar, decorrente de alguma anormalidade nessa regio. Conhecida popularmente como dor nas costas.

Lombalgia Mecnica Lombalgia Mecnica uma especificao da Lombalgia ocasionada pelo movimento abrupto dos msculos da coluna lombar, glteos e transverso abdominal.

Lombocitalgia Tambm conhecida popularmente como dor no citico, uma doena decorrente de uma compresso nervosa na regio lombar.

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TRABALHOS PUBLICADOS Revistas

DAMASCENO, E.F., CARDOSO, A, LAMOUNIER Jr, E.A. Avaliao Computacional da Flexibilidade Articular por Tcnicas de Captura de Movimento em Realidade Aumentada, Journal of Fitness & Performance, 2013, v.5, n1. (a ser publicado)

DAMASCENO, E.F., CARDOSO, A, LAMOUNIER Jr, E.A. Avaliao Heurstica da Interface de Captura de Movimento em Realidade Aumentada, in Journal of Health Informatics, 2012, v. 4, n.3, p87-94.

DAMASCENO, E.F., CARDOSO, A, LAMOUNIER Jr, E.A. Automated Biophotogrammetry with Augmented Reality Technology, in Cyber Journals: Multidisciplinary Journals in Science and Technology, Journal of Selected Areas in Health Informatics (JSHI), May Edition, 2012.

Eventos DAMASCENO, E.F., RAMOS, F.M. Gerao Automtica De Coordenadas Homogneas A Partir

De Parmetros Intrnsecos De Cmeras Em Realidade Aumentada, Workshop de Realidade Virtual e Aumentada 2012, Paranava-PR, 2012.

DE PAULO, J.V; SANTOS, M.R.S; DAMASCENO, E.F. Construo De Um Software Para Prtica de Atividades Fsicas Utilizando o Kinect, VIII Workshop de Realidade Virtual e Aumentada 2011, Uberaba-MG, 2011.

DAMASCENO, E.F., CARDOSO, A., LAMOUNIER Jr, E.A.

Augmented Biophotogrammetry In: XIII Symposium on Virtual Reality, 2011, Uberlndia-MG. Proceedings of XIII Symposium on Virtual Reality. Porto Alegre: Sociedade Brasileira de

Computao, 2011. p.48 55

DAMASCENO, E.F., LOPES, Luiz Fernando Braga, DIAS JUNIOR, Jos Barbosa, LAMOUNIER

Jr, E.A., CARDOSO, Alexandre Augmented Reality Game for Low Back Pain Rehabilitation In: 2nd International Conference on Computational & Mathematical Biomedical Engineering,

2011, Washington, D.C..Procedings of 2nd International Conference on Computational &

Mathematical Biomedical Engineering. , 2011. v.1.

PAULO, J.V., DAMASCENO, E.F., Serious Game para Reabilitao do Torcicolo In: XI Workshop on Medical Informatics (WIM), 2011, Natal-RN. Proceeding of XI Workshop on

Medical Informatics (WIM). Porto Alegre: Sociedade Brasileira de Computao, 2011.

DAMASCENO, E.F., LOPES, Luiz Fernando Braga, DIAS JUNIOR, Jos Barbosa, LAMOUNIER

Jr, E.A., CARDOSO, Alexandre Prototipao de um Sistema de Reabilitao Virtual Aumentada para Auxiliar no Tratamento da Lombalgia Mecnica In: XII Symposium on virtual and Augmented Reality, 2010, Natal - RN. Proceeding of XII Symposium on virtual and Augmented

Reality. Porto Alegre: Sociedade Brasileira de Computao, 2010.

Descrio completa dos trabalhos associados ao processo de doutoramento pode ser encontrada no currculo do autor disponvel em: http://lattes.cnpq.br/7333630388674575

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LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Continuum de Realidade - Virtualidade (adaptado para Reabilitao Virtual) ..... 8 Figura 2 - Funcionamento Bsico do ARToolKit adaptado de (CONSULARO, COELHO e CALONEGO Jr., 2007) ....................................................................................................... 10 Figura 3 - O Sistema de coordenadas envolvidas no processo de rastreio (HARTLEY E ZISSERMAN, 2004) ........................................................................................................... 12 Figura 4 - Dispositivos da plataforma Nintendo WiiTM ....................................................... 14 Figura 5 Usurios utilizando o Cyber TRAZER (TRAZER, 2012). ................................ 15 Figura 6 - Organizao Didtica das Tcnicas de MoCap baseada em Captura de Vdeo (adaptado de (MOESLUND, HILTON e KRGER, 2006). ............................................... 16 Figura 7 - Exemplo de roupas especiais para captura de movimento (TOIVIANINEN e BURGER, 2011) .................................................................................................................. 17 Figura 8 -Tipos de Marcadores Passivos ............................................................................. 17 Figura 9 - Dispositivo MS-KinectTM (WEBB; ASHLEY, 2012) ......................................... 19 Figura 10 - Posio Anatmica de Referncia (CALAIS-GERMAIN, 2005). ................... 21 Figura 11 Exemplo de Elegrogonimetro e Extensimetro Digital ................................. 28 Figura 12 - Rastreio de Multiplos Wii-moteTM (ALANKUS et al., 2010). ......................... 30 Figura 13 - Sistema Valedo Motion (MOTION, 2011) ....................................................... 30 Figura 14 - Anlise da Colorao de reas de Interesse na Imagem .................................. 32 Figura 15 Captura de Movimentos com Marcadores Coloridos (CAMEIRO et al., 2010) ............................................................................................................................................. 32 Figura 16 - Sistema Comercial Peak Motus ...................................................................... 33 Figura 17 - AR-REHAB (ALAMRI et al., 2009) ................................................................ 34 Figura 18 Sistemas com MoCap em Realidade Aumentada para Reabilitao ................ 35 Figura 19 Sistemas de Realidade Aumentada para conduo de exerccios .................... 36 Figura 20 MoCap sem Marcadores .................................................................................. 37 Figura 21- Sistema IREX para Reabilitao (SVEISTRUP, 2004) ..................................... 38 Figura 22 - Tecnologia de Reflexo Aumentada (REGENBRECHT et al., 2012) .............. 39 Figura 23 Aplicao desenvolvida com a biblioteca FAAST (SUMA et al., 2011) ......... 39 Figura 24 - Sensor de Movimento Kinect na Reabilitao Motora (LANGE et al., 2011). 40 Figura 25 - Sistema de Conduo de Exerccios Fisioterpicos Ikapp (GAMA et al., 2012) ............................................................................................................................................. 41 Figura 26 - Caso de Uso Geral ............................................................................................ 49 Figura 27 Caso de Uso Expandido: Cadastra_Terapia ..................................................... 49 Figura 28 - Caso de Uso para gerar grfico de anlise ........................................................ 52 Figura 29 Viso Geral da Arquitetura do Sistema ............................................................ 53 Figura 30 - Tipos de Tecnologias de Captura de Movimento para a Camada de Aquisio 55 Figura 31 - Diagrama de Sequncia entre os Mdulos ........................................................ 58 Figura 32 - Anlise da Preciso da Biblioteca ARToolKit (SANCHES, 2007) .................. 59 Figura 33 -Ambientes de RV e RA com MoCap sem marcador .......................................... 62 Figura 34 - Configurao das Cmeras do Sistema ............................................................. 63 Figura 35 - Mdulo de Sincronizao das Cmeras ............................................................ 64 Figura 36 - Dados da Calibrao das Cmeras .................................................................... 65 Figura 37 - Modelo Matemtico de Gerao de Coordenadas Homogneas Considerando os Parmetros da Cmera (HARTLEY e ZISSERMAN, 2004) .......................................... 65 Figura 38 - Logo de Abertura do Sistema............................................................................ 67 Figura 39 - Opes de Configurao do Sistema ................................................................ 68 Figura 40 - Cadastro de Exerccios...................................................................................... 69 Figura 41 - Seleo de Dispositivos de Captura .................................................................. 69 Figura 42 - Dados do Paciente ............................................................................................. 70 Figura 43 - Avaliao Fsica e Questionrio sobre Dor ....................................................... 70

ix

Figura 44 - Escala Visual de Avaliao ............................................................................... 71 Figura 45 - Seleo e Incluso de Exerccios na Terapia .................................................... 72 Figura 46 - Visualizao da Evoluo dos Exerccios ......................................................... 73 Figura 47 - Interface de Sugesto de Exerccios ao Paciente .............................................. 74 Figura 48 - Anlise da evoluo da patologia...................................................................... 74 Figura 49 - Escolha da Terapia para o Paciente ................................................................... 75 Figura 50 - Arquivo XML de parmetros para o mdulo de Realidade Aumentada ........... 76 Figura 51 - Tela do Modulo de Realidade Aumentada ........................................................ 76 Figura 52 - Interface sem marcador ..................................................................................... 77 Figura 53 - Apresentao de ajuda ao paciente ao realizar o exerccio ............................... 77 Figura 54 - Representao do Movimento Capturado ......................................................... 78 Figura 55 - Esquema de Posicionamento das Cmeras e do Paciente ................................. 79 Figura 56 - Anlise do Exerccio de Extenso da Coluna em P ........................................ 84 Figura 57 - Extenso da coluna deitado............................................................................... 85 Figura 58 - Usurio realizando o exerccio de Flexo da Coluna ....................................... 85 Figura 59 - Flexo da Coluna Deitado ................................................................................ 86 Figura 60 - Execuo do exerccio de Elevao de Glteos................................................ 87 Figura 61 - Exerccio de Alongamento de Pernas ............................................................... 87 Figura 62 - Usurio realizando exerccio da Flexo do Tronco .......................................... 88 Figura 63 - Exerccio de Agachamento realizado pelo usurio ........................................... 89 Figura 64 - Afixao dos marcadores no sujeito ................................................................. 89 Figura 65 - Erro de Rastreio do Kinect (B, HAYASHIBE, POIGNET, 2011) ................. 90 Figura 66 - Radiografia da Coluna Dorsal........................................................................... 91 Figura 67 - Anlise de desempenho grfico medido em quadros por segundo ................... 92 Figura 68 - Anlise dos Registros Capturados..................................................................... 93 Figura 69 - Anlise sobre o nmero de cmeras envovlvidas no processo ......................... 94 Figura 70 - Anlise das Funcionalidades do Sistema .......................................................... 97 Figura 71 - Anlise sobre a Facilidade de Aprendizado do Sistema ................................... 97 Figura 72 - Anlise sobre a preparao para captura de movimentos ................................. 98 Figura 73 - Anlise sobre a confiana dos resultados da amplitude de movimento ............ 98 Figura 74 Confiana Global do Sistema ......................................................................... 100 Figura 75 - Anlise sobre a Eficincia do Sistema ............................................................ 101 Figura 76 - Avaliao da Interface com Marcadores Fiduciais ......................................... 102 Figura 77- Avaliao da Interface Sem Marcadores .......................................................... 103

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LISTA DE QUADROS

Quadro 1 - Nomenclatura de Movimentos Corpreos......................................................... 21 Quadro 2 Exerccios Recomendados ................................................................................. 25 Quadro 3 - Anlise dos Sistemas de RA para Reabilitao ................................................. 43 Quadro 4 - Requisitos Funcionais do Sistema ..................................................................... 47 Quadro 5 - Requisitos No-Funcionais do Sistema ............................................................. 48 Quadro 6 - Qualificao da Obesidade (ABESO, 2009) ..................................................... 51 Quadro 7 - Algoritmo de prorcionalidade da circunferncia abdominal ............................ 51 Quadro 8 - Classificao de Risco Sade (ABESO, 2009) .............................................. 52 Quadro 9 - Quadro Informativo de Dados Biomtricos dos sujeitos .................................. 83 Quadro 10 - Avaliao Comparativa dos Membros Superiores ........................................ 105 Quadro 11 - Avaliao Comparativa dos movimentos do quadril ..................................... 105 Quadro 12 Nova Anlise dos Sistemas de RA para Reabilitao ................................... 110

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SUMRIO

1. INTRODUO ............................................................................................................... 1

1.2 HIPTESES .................................................................................................................... 2 1.3 OBJETIVO GERAL E OBJETIVOS ESPECFICOS ................................................................ 3 1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO........................................................................................... 4

2. FUNDAMENTOS ............................................................................................................ 5

2.1 REABILITAO MOTORA............................................................................................... 5 2.2 REABILITAO MOTORA BASEADA EM COMPUTADORES .............................................. 6 2.3 REALIDADE VIRTUAL E REALIDADE AUMENTADA ........................................................ 7

2.3.1 Rastreio do Movimento a partir de Marcadores Passivos ................................. 11 2.4 REABILITAO VIRTUAL ............................................................................................. 12 2.5 CAPTURA DE MOVIMENTOS PARA REABILITAO VIRTUAL ........................................ 14 2.6 AVALIAO DO MOVIMENTO TERAPUTICO ............................................................... 20 2.7 MOVIMENTOS DA COLUNA VERTEBRAL ..................................................................... 22 2.8 LOMBALGIA MECNICA .............................................................................................. 23 2.9 CONSIDERAES FINAIS ............................................................................................. 26

3. TRABALHOS RELACIONADOS .............................................................................. 27

3.1 INTRODUO .............................................................................................................. 27 3.2 CAPTURA DE MOVIMENTOS COM ELETROMIOGRAFIA (EMG) ..................................... 27 3.3. CAPTURA DE MOVIMENTO COM ACELERMETROS .................................................... 29 3.4 CAPTURA DE MOVIMENTO COM MARCADORES........................................................... 31

3.4.1 Marcadores Coloridos ........................................................................................ 31 3.4.2 Marcadores Reflexivos ....................................................................................... 33 3.4.3 Marcadores Fiduciais ......................................................................................... 33

3.5 SISTEMAS BASEADOS EM RA SEM MARCADORES ...................................................... 36 3.6. ESTUDO COMPARATIVO DOS TRABALHOS RELACIONADOS .......................................... 41 3.7 CONSIDERAES FINAIS ............................................................................................. 44

4. ESPECIFICAO DE REQUISITOS ........................................................................ 46

4.1 INTRODUO .............................................................................................................. 46 4.2 REQUISITOS FUNCIONAIS ............................................................................................ 46 4.2 REQUISITOS NO FUNCIONAIS .................................................................................... 47 4.3 CASOS DE USO ............................................................................................................ 48 4.4 ARQUITETURA DO SISTEMA ........................................................................................ 53 4.5 CONSIDERAES FINAIS ............................................................................................. 56

5. DETALHES DE IMPLEMENTAO........................................................................ 57

5.1 LINGUAGEM E BIBLIOTECAS DE PROGRAMAO ........................................................ 57 5.1.1 Biblioteca para MoCap com Marcadores Fiduciais .......................................... 58 5.1.2 Biblioteca para MoCap com Marcadores Coloridos ......................................... 60 5.1.3 Biblioteca para MoCap sem Marcadores ........................................................... 61 5.1.4 Gerenciamento da Interface USB ....................................................................... 62 5.1.5 Calibrao das Cmeras .................................................................................... 63

5.2 INTERFACE DE OPERAO .......................................................................................... 67 5.3 APARATO TECNOLGICO ............................................................................................. 78 5.4 CONSIDERAES FINAIS ............................................................................................. 80

xii

6. RESULTADOS E LIMITAES ................................................................................ 81

6.1 PROTOCOLO DE TRATAMENTO ..................................................................................... 81 6.2 PLANEJAMENTO DAS INTERVENES .......................................................................... 81 6.3 ESTUDO DE CASO ........................................................................................................ 82

6.3.1 Anlise do Exerccio de Extenso da Coluna em P .......................................... 84 6.3.2 Anlise do Exerccio de Extenso da Coluna em Deitado ................................. 84 6.3.3 Anlise do Exerccio de Flexo da Coluna em P ............................................. 85 6.3.4 Anlise do Exerccio de Flexo da Coluna Deitado .......................................... 86 6.3.5 Anlise do Exerccio de Elevao do Glteo ..................................................... 86 6.3.6 Anlise do Exerccio de Alongamento de Pernas ............................................... 87 6.3.7 Anlise do Exerccio de Flexo Lateral ............................................................. 87 6.3.8 Anlise do Exerccio de Agachamento ............................................................... 88 6.3.9 Discusso sobre a Anlise .................................................................................. 89

6.4. AVALIAO COMPUTACIONAL ................................................................................... 92 6.5 AVALIAO DO SISTEMA POR FISIOTERAPEUTAS ........................................................ 94

6.5.1 Anlise sobre as funcionalidades e usabilidade do sistema ............................... 96 6.5.2 Avaliao sobre a Confiabilidade do Sistema .................................................... 99 6.5.3 Avaliao sobre a Eficincia do Sistema .......................................................... 100

6.6 AVALIAO HEURSTICA DA INTERFACE POR PACIENTES .......................................... 101 6.7 AVALIAO FUNCIONAL DA FERRAMENTA DE MENSURAO FOTOGRAMTRICA .... 103 6.8 LIMITAES DO EXPERIMENTO ................................................................................. 107 6.9 CONSIDERAES FINAIS ........................................................................................... 108

7. CONCLUSES E PROPOSTAS PARA PESQUISAS FUTURAS.......................... 111

7.1 ASPECTOS GERAIS DO TRABALHO ............................................................................ 111 7.2 CONTRIBUIES DA PESQUISA .................................................................................. 113 7.3 TRABALHOS E PESQUISAS FUTUROS ......................................................................... 114 7.4 COMENTRIOS FINAIS............................................................................................... 115

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .......................................................................... 116

ANEXOS .......................................................................................................................... 127

ANEXO A: TERMO DE CONSENTIMENTO LIVRE E ESCLARECIDO ..................................... 127 ANEXO B: FORMULRIO DE AVALIAO DO SISTEMA .................................................... 128 ANEXO C: FORMULRIO DE AVALIAO PELOS USURIOS PRELIMINARES ................... 130 ANEXO E: PARECER DO COMIT DE TICA LOCAL (IFGOIANO)...................................... 131

1

1. INTRODUO

O processo de reabilitao motora um processo multidisciplinar que envolve

profissionais e tecnologias na assistncia ao paciente, de forma a melhorar e acondicionar

seus movimentos, visando superar uma desordem ou deficincia (BORGNETH, 2004).

Nos ltimos anos, observa-se que a aplicao de tecnologias computacionais tem

sido cada vez mais explorada para melhor suportar este processo. Isto alcanado por

meio de novas possibilidades de composio, visualizao e simulao de dados, que por

sua vez so apoiadas pela interao com dispositivos e ambientes realsticos gerados por

computador (NUNES et al., 2011).

De fato, a reabilitao motora tem usufrudo de um conjunto de dispositivos e

sistemas que antes estavam limitados ao entretenimento, mas j fazem parte do cotidiano

de clnicas e hospitais, estimulando a execuo dos exerccios durante a terapia

(ALBUQUERQUE; SCALABRIN, 2007).

Diversos estudos relatam a adoo de jogos digitais por consoles de videogame,

tais como o Nintendo WiiTM, PlayStation MoveTM e o Xbox KinectTM, como forma de

acelerar o processo de reabilitao motora (ASSIS et al., 2008).

Estes dispositivos tm-se mostrado eficazes em diversas reas da reabilitao,

apresentando progressos incontestveis. Isto possvel devido a estmulos conseguidos

pelo esforo do paciente em executar bem as jogadas, incentivando a atividade cerebral

a induzir adaptaes positivas como: fortalecimento muscular, melhoria na capacidade de

concentrao, equilbrio, coordenao motora e, consequentemente, uma recuperao

gradativa da dinmica de movimentos (DIAS; SAMPAIO; TADDEO, 2009).

Os consoles do Nintendo WiiTM e o PlayStation MoveTM possuem a tecnologia

de captura de movimento e realizam o rastreamento de objetos (controles) por

acelermetros e giroscpios (Nintendo WiiTM) ou por viso computacional (PlayStation

2

MoveTM). J o dispositivo Xbox KinectTM possui rastreio sem marcadores, a partir da

avaliao apenas da imagem em profundidade e da imagem em infravermelho (WEBB;

ASHLEY, 2012).

Todos esses dispositivos exigem que o paciente execute os movimentos

semelhantes aos praticados nas sesses de reabilitao convencional. Para tanto, cada

patologia demanda um grupo de exerccios atribudos a grupos musculares especficos,

que por sua vez, devem ser adaptados tecnologia adotada.

Entretanto, existem movimentos para reabilitao motora que estes dispositivos

no suportam. Neste caso, necessria a interveno do terapeuta para evidenciar a

informao de movimento e torn-la vivel clinicamente.

Diante deste cenrio, a Realidade Aumentada (RA), baseada em marcadores

fiduciais, coloca-se como uma alternativa a ser investigada. Conhecida como uma

interface avanada de interao entre o ser humano e o computador, esta tecnologia tem

sido largamente explorada para aplicaes na rea de sade (CHEN e BOWMAN, 2009).

Acredita-se que este fenmeno est relacionado com o fato da RA combinar imagens reais

com objetos virtuais, promovendo assim um ambiente mais intuitivo para diversas

aplicaes (OLSSON et al., 2012).

Portanto, este trabalho de pesquisa foi motivado pela necessidade de investigar

a aplicao da tecnologia de captura de movimento com tcnicas de Realidade

Aumentada na prtica clnica para o rastreio e anlise de movimentos com fins

reabilitadores.

1.2 HIPTESES

De forma a elucidar a informao clnica e validar a proposta deste trabalho, foi

escolhida uma patologia denominada Lombalgia Mecnica segundo a Organizao

Mundial de Sade (OMS) um dos distrbios dolorosos que mais afetam o ser humano

(HELFENSTEIN; GOLDENFUM; SIENA, 2010), para ser avaliada como estudo de

caso.

Assim, os objetivos deste trabalho foram elaborados baseados nas seguintes

hipteses:

H1: A Realidade Aumentada com marcadores fiduciais adequada para a captura

de alguns movimentos em exerccios de reabilitao da lombalgia mecnica, que no so

3

suportados por outras abordagens, tais como aquelas que usam acelermetros ou sensores

de movimento sem marcadores;

H2: Uma arquitetura de software seria capaz de interoperar os dados de diversos

dispositivos de captura de movimento. Este aparato teria o potencial para deixar

profissionais de sade e pacientes com maiores opes de captura para o tratamento;

H3: possvel desenvolver um protocolo de tratamento, que por meio do

framework desenvolvido, estar adequado ao processo de tratamento da lombalgia

mecnica;

H4: A reao do paciente ao utilizar este sistema com a tecnologia de captura de

movimento considerada til para o processo de reabilitao.

1.3 OBJETIVO GERAL E OBJETIVOS ESPECFICOS

O objetivo desta tese investigar a adequabilidade das tcnicas de Realidade

Aumentada, com marcadores fiduciais, para o tratamento em reabilitao motora. Alm

disso, esta pesquisa visa avaliar as vantagens de se ter um sistema com mltiplas formas

de captura e anlise de movimentos para o tratamento de patologias, tais como a

lombalgia mecnica.

Para tanto, os seguintes objetivos especficos foram propostos:

a) Investigar tcnicas de captura de movimento com Realidade Aumentada,

usadas em sistemas de reabilitao virtual;

b) Estudar diferentes sistemas computacionais que utilizam esta tecnologia em

reabilitao motora, identificando suas vantagens e desvantagens;

c) Elaborar um projeto de arquitetura de um framework que suporte Realidade

Aumentada, com ou sem marcadores, e que possa contribuir para reduzir

eventuais limitaes identificadas nos sistemas estudados;

d) Desenvolver um prottipo, baseado na arquitetura proposta, que possa ser

usado em uma terapia clnica;

e) Avaliar o uso deste prottipo e suas condies de aplicao em diversos tipos

de exerccios reabilitadores;

f) Avaliar este prottipo por especialistas em fisioterapia.

4

1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO

Este trabalho est organizado de forma a contemplar as bases tcnicas e

cientficas necessrias compreenso da rea de aplicao. Para facilitar o entendimento,

o mesmo foi estruturado conforme descrito a seguir:

No Captulo 2 realizada a descrio dos principais fundamentos para discusso

da tese, no qual so postuladas as definies e apresentadas algumas aplicaes dos

conceitos abordados em todo trabalho.

No Captulo 3 so demonstrados os trabalhos relacionados bem como suas

caractersticas relevantes, de forma a produzir, em sntese, os requisitos funcionais para

a arquitetura do framework proposto.

Por sua vez, no Captulo 4, proposta uma arquitetura para o funcionamento do

sistema e o conjunto de requisitos e atribuies necessrias caracterizao do prottipo

proposto.

O Captulo 5 tem por funo elucidar os detalhes de implementao encontrados

durante o processo de desenvolvimento do prottipo.

No Captulo 6 so descritos os resultados e expostas algumas limitaes do

sistema.

Finalmente, so apresentadas no ltimo captulo, as concluses deste trabalho.

Neste captulo, tambm so feitas consideraes sobre a arquitetura proposta, seu

emprego na pesquisa e, ao encerrar, so sugeridas alguns trabalhos futuros semeados por

este trabalho.

5

2. FUNDAMENTOS

Este captulo foi organizado de forma a promover o entendimento sistemtico

dos conceitos abordados nesta tese. Iniciando pelo conceito de Reabilitao Motora e

permeando os conceitos da patologia escolhida para o estudo de caso: a Lombalgia

Mecnica ou Ocupacional.

No que tange computao, abre-se espao para os conceitos de Realidade

Virtual (RV) e Realidade Aumentada (RA), seguidos dos conceitos de Captura de

Movimento (MoCap) em RA, que so fundamentais na compreenso do funcionamento

do prottipo desenvolvido e as caractersticas tecnolgicas envolvidas na aplicao.

2.1 REABILITAO MOTORA

A Reabilitao Motora um processo, ou um conjunto de processos que, com

diversos profissionais, cooperam na assistncia ao paciente de forma a melhorar e

acondicionar seus movimentos no intuito de faz-lo superar a deficincia ou a desordem

causada pela doena (GRAY, 2001). Seu objetivo promover independncia e

participao do paciente, de forma digna, na sociedade (BORGNETH, 2004).

Os processos compreendidos na reabilitao possuem diferentes abordagens,

dependendo da severidade da desordem encontrada. Existem procedimentos em que os

exerccios teraputicos podem ser realizados de forma proprioceptiva, ou seja, pelo

prprio paciente com a orientao do terapeuta (RIBEIRO e MOREIRA, 2011).

H outros procedimentos que necessitam de um amparo resistivo ou o auxlio do

fisioterapeuta em sua execuo, exercendo fora contrria ao movimento e os

procedimentos que necessitam de um aparato tecnolgico apropriado para oferecerem o

resultado esperado (ROSRIO, MARQUES e MAULUF, 2004).

Estas abordagens combinam o modelo mdico restaurador, respeitando o

funcionamento biomecnico do corpo, e o processo de reintegrao social sociedade

(SIMES, 2005).

Devido variedade de estruturas do corpo humano que so suscetveis a

diferentes tipos e graus de leso, necessria a aplicao de uma ou mais abordagens ao

6

mesmo tempo, necessitando do terapeuta ateno individualizada ao paciente

(GUIMARES e CRUZ, 2003).

Esta ateno acarreta em um custo operacional elevado e devido a esta

conjuntura, o atendimento individual vem sendo, em muitos casos, substitudo pelo

atendimento grupal, no qual mais de um paciente pratica condutas iguais ou semelhantes,

e pelo atendimento simultneo, no qual vrios pacientes so supervisionados por um

mesmo profissional fisioterapeuta (FEUERWERKER, 2005).

A partir deste cenrio, a incluso de novos aparatos tecnolgicos como os

videogames e os sistemas computacionais nos exerccios teraputicos possibilitou a

regulamentao desta prtica, no substituindo a tcnica dos exerccios, mas adaptando-

os de maneira a tirarem maior proveito da interface motivadora dos jogos digitais

(COFITTO, 2011).

2.2 REABILITAO MOTORA BASEADA EM COMPUTADORES

A ampliao do uso da tecnologia em diversas reas do conhecimento vem

crescendo vertiginosamente nos ltimos anos e vislumbrado um sensvel progresso s

cincias da sade. Alm disso, a computao tem ampliado as possibilidades diagnsticas

e teraputicas, pois, por meio de seus recursos (equipamentos, dispositivos e programas,

entre outros), facilita o acesso reabilitao de pacientes com diferentes tipos de danos

cognitivos ou motores (ALBUQUERQUE e SCALABRIN, 2007).

Um dos desafios da reabilitao com o uso do computador identificar mtodos

que sejam motivadores, e que possam ser to efetivos quanto s terapias convencionais

(RIZZO et. al, 2004)

Diversas pesquisas mostram que quando uma prtica reabilitadora associada a

terapia baseada em computador, esta prtica aumenta significativamente a motivao dos

pacientes e, consequentemente, seu restabelecimento se torna mais rpido (PRIDMORE

et al., 2004).

Cada vez mais o uso da reabilitao baseada em computadores usufrui da

tecnologia de RV. Mais recentemente, a RA (RIZZO, 2008) vem apresentando

significativas contribuies. Tanto que hoje comum observar a expresso Reabilitao

Virtual.

7

Alm da terapia em si, o fisioterapeuta levado a planejar um ambiente

enriquecido fsica e emocionalmente, no intuito de motivar o paciente para a recuperao

(GUIMARES e CRUZ, 2003).

E situado nesta esfera que a RA tem grande contribuio ao processo de

reabilitao, pois pode combinar a visualizao natural do ambiente e enriquec-lo com

objetos virtuais para deixar o paciente mais confortvel e assemelhado ao ambiente real.

2.3 REALIDADE VIRTUAL E REALIDADE AUMENTADA

O termo Realidade Virtual (RV) um termo que durante o processo de

maturao e avano das tecnologias computacionais, nos ltimos anos, teve seu conceito

adaptado e fortalecido devido experincia acadmica e profissional (BOTEGA e

CRUVINEL, 2008).

O consenso de que a RV o uso de tecnologias para convencer o usurio que

ele est em outra realidade a partir de estmulos oriundos de mecanismos multissensoriais

de interface, concluindo-se que uma das formas mais avanadas de interao

(SHERMAN e CRAIG, 2003);

Esta forma de interao permite que o usurio navegue, selecione, altere e

interaja de forma to natural e intuitiva com um ambiente tridimensional gerado por

computador que o usurio no mais encontra diferenas entre o que Real e o que

Virtual (TORI e KIRNER, 2006).

Esta percepo que o usurio tem do ambiente virtual a partir de uma janela

constituda e apresentada no monitor, numa tela de projeo (singular ou de

multiprojeo, como em uma caverna digital) ou mesmo em um capacete HMD, no qual

o usurio pode usar dispositivos de interao e participar ativamente no ambiente

(KIRNER e KIRNER, 2011).

Uma das formas didticas para compreenso dos termos de RV e RA est

postulado pelo fluxo de realidade contnua (MILGRAN e KISHINO, 1994), visto na

Figura 1, que introduz os conceitos e fundamentos entre as tecnologias de RV e Realidade

Mista.

A Realidade Misturada ou Mista compreende o intervalo entre o ambiente real e

o virtual, sendo que possui a insero de textos, imagens e objetos virtuais, enriquecendo

as informaes perceptveis do usurio sobre o ambiente fsico em tempo real com algum

dispositivo de interao (KIRNER e KIRNER, 2011).

8

Figura 1 - Continuum de Realidade - Virtualidade (adaptado para Reabilitao Virtual)

Ela se divide em Realidade Aumentada (RA) e Virtualidade Aumentada (VA) e

sua caracterizao depende diretamente do ambiente predominante na interao. Caso

seja o ambiente real mandatrio na interface, tem-se a RA, caso seja o ambiente virtual

tem-se a VA (TORI e KIRNER, 2006).

Pode-se definir que a RA uma integrao de objetos tridimensionais com o

ambiente real em tempo real, em se tratando de uma variao de Realidade Virtual, em

que o usurio pode interagir com o mundo virtual prioritariamente sem ter contato visual

com o mundo real (BRAZ e PEREIRA, 2008). Nela possvel integrar cenrios virtuais

ao ambiente real, ampliando as possibilidades de cognio do usurio entre o ambiente e

as informaes dele. E por isso requer um sistema de tempo real para que o usurio no

se sinta perdido ou frustrado com o desempenho grfico e suas caractersticas de

visualizao.

Em um ambiente de RA possvel utilizar recursos de multimdia, incluindo

imagem e som de alta qualidade, e recursos de RV como objetos tridimensionais e a

interao em tempo real (BIMBER, 2004), portanto, o desempenho do grfico fator

imprescindvel para a plataforma computacional de RA.

De maneira geral, a RA envolve quatro aspectos importantes: renderizao de

alta qualidade do mundo combinado; calibrao precisa, envolvendo o alinhamento dos

virtuais em posio e orientao dentro do mundo real; interao em tempo real entre

objetos reais e virtuais.

Um outra caracterstica importante da RA a sua capacidade de rastreamento,

que tem a funo de identificar a posio de partes do prprio corpo do usurio ou de algo

atrelado a ela, como um marcador, para ser dado como entrada de informaes ao sistema

(POUPYREV et al., 2002).

9

Com isto, o sistema permite que o usurio exera um controle de

posicionamento em ambientes virtuais ou aumentados, podendo, por exemplo,

movimentar-se e tocar, agarrar, mover e soltar objetos virtuais (TORI e KIRNER, 2006).

Como em toda a tecnologia computacional, a RA envolve dois componentes

bsicos na sua formulao: o hardware e o software. O hardware envolve os dispositivos

de entrada, displays, processadores e redes. J o software inclui as bibliotecas grficas e

de viso computacional para o rastreamento e incorporao dos objetos virtuais ao

marcadores reais, e a biblioteca fsica para simulao de comportamento destes objetos

virtuais que pode sofrer ao de uma interao do usurio ou reflexo da interao entre

os objetos virtuais (WANG, 2013).

O hardware de RA deve possuir algumas caractersticas que possibilitem a

atuao do usurio em um ambiente com a maior liberdade possvel e de modo que ele

no perceba a diferena entre os mundos. E para isso, importante a potncia de

processamento principal e das placas de apoio (grfica e de som), para tratar as

necessidades de multimdia e de RV para garantir a execuo, em tempo real, das

seguintes aes de tratamento de vdeo; processamento grfico 3D; gerao de imagens

misturadas; incorporao de som; execuo hptica; controle multimodal; varredura de

dispositivos de entrada com nfase no rastreamento (TORI e KIRNER, 2006).

J os recursos do software envolvem a preparao do cenrio virtual e de seus

elementos virtuais, o suporte a comunicao entre os usurios, e o suporte integrao

das imagens reais e virtuais em tempo real promovendo o rastreamento dos objetos

(marcadores) e o ajuste dos objetos virtuais ao cenrio.

Existem diversas ferramentas voltadas para RA auxiliam a construo dos

objetos virtuais e sua integrao ao ambiente real, incluindo alguns comportamentos,

como, por exemplo, quando um marcador detectado um certo objeto adicionado na

cena. Delas se destaca o ARToolKit, que uma biblioteca para a deteco de marcadores

fiduciais nas imagens e adio dos objetos virtuais nas imagens do mundo real.

Esta software utiliza mtodos de viso computacional para fornecer a posio e

o rotao 3D de padres em imagem do ambiente. Este padres so expressos por

marcadores 2D e so previamente cadastrados antes da execuo da aplicao.

Seu processo de funcionamento a partir da captura de imagens de vdeo a qual

convertida em uma imagem em preto e branco (processo de binarizao seguido do

processo de thresholding que separa os pixels em escalas de valores por meio de um

limiar), e ento so localizadas regies quadradas da imagem (BILLINGHURST e

KATO, 2001).

10

Este processo realizado quadro a quadro do vdeo capturado em tempo real.

Em cada quadro apresentado possvel encontrar diversas regies de interesse,

entretanto, em sua maioria no representa um smbolo marcador. Para cada quadrado

encontrado, o padro de dentro do quadrado capturado e comparado com os modelos de

padres que foram previamente cadastrados (SANTIN e KIRNER, 2005)

Em aplicaes de RA so necessrios pelo menos trs elementos fundamentais:

o cenrio real, objeto virtual e pelo menos um marcador com uma moldura.

O funcionamento do sistema se realiza a partir da imagem capturada de uma

cmera de vdeo. Ao introduzir o marcador no campo de viso desta cmera (usando as

mos), a biblioteca ARToolKit posiciona o objeto virtual sobre o marcador no cenrio

real, misturando as imagens (ZORZAL et al., 2009).

Ao movimentar-se o marcador, o objeto virtual acompanha este movimento

(tracking de imagem), permitindo sua manipulao com as mos, a ilustrao deste fluxo

de operaes pode ser visualizada na Figura 2.

Figura 2 - Funcionamento Bsico do ARToolKit adaptado de (CONSULARO, COELHO e

CALONEGO Jr., 2007)

As seguintes etapas so executadas para a deteco dos marcadores:

inicialmente, a imagem capturada pela cmera ou por outro processo transformada em

uma imagem binria (com valores em preto e branco). Logo aps, o software analisa a

imagem e encontra os marcadores, e os compara com os previamente cadastrados.

11

Quando encontrado um marcador, um objeto tridimensional virtual adicionado

imagem real, na posio e orientao do marcador original.

As principais caractersticas do ARToolKit so: o rastreamento para

posicionamento e orientao de uma cmera; marcadores que tm como padro um

quadrado de bordas pretas; possibilidade de uso de qualquer marcador, desde que o

mesmo obedea ao padro; cdigo simples para calibrao da cmera; bom desempenho

para aplicaes de RA em tempo real, alm do quesito de distribuio da ferramenta.

2.3.1 Rastreio do Movimento a partir de Marcadores Passivos

O rastreio ptico de movimentos humanos uma alternativa muito vantajosa em

comparao com os sistemas baseados em tecnologias existentes (magntica, acstica ou

mecnica), visto que alm de possuir maior valor agregado de inovao, possui custo

operacional relativamente mais baixo que as atuais com a vantagem se ser menos

suscetvel a rudos e interferncias, alm de poder rastrear mais de um objeto

simultaneamente e claro oferecer a possibilidade da interao sem fios.

Os mtodos deste tipo de rastreio podem ser categorizados em mtodos baseados

em Caractersticas de imagem, e mtodos baseados em Viso (ZHANG, 2002).

Os mtodos baseados em Caracterstica de Imagem usam tcnicas de

processamento de imagem onde o sistema analisa objetos ou caractersticas deste objetos

que podem ser usados com vetor de interao entre o usurio o ambiente virtual.

J os mtodos baseados em Viso, usam tcnicas de viso computacional e

formas avanadas de processamento de imagem para que o sistema processe a interao

sem a incluso de algum objeto ou marcador, sendo o prprio usurio o vetor da interao.

O processo de rastreio de marcadores passivos pode-se resumir na mensurao

da localizao, orientao e rotao de um ou mais marcadores no espao tridimensional

focalizado pela cmera.

Este rastreio envolve a anlise de uma srie de quadros (frames) de referncia, o

qual o sistema por tcnicas de processamento de imagem localiza o marcador. A Figura

3 descreve este processo. O quadro de referncia representado por uma matriz de

transformao homognea de dimenso 4x4.

As coordenadas de mundo so representadas pela matriz Mworld e a matriz de

coordenadas da cmera representada por Mcam , onde ambas so fixas e atribuio sua

localizao em um determinado espao. As caractersticas da Imagem da Cmera so

representadas na matriz Mimg.

12

Figura 3 - O Sistema de coordenadas envolvidas no processo de rastreio (HARTLEY E

ZISSERMAN, 2004)

A transformao MCW que mapeia as coordenadas da cmera para as

coordenadas de mundo definido por parmetros extrnsecos da cmera e a matriz MIC

mapeia as coordenadas da imagem para as coordenadas da cmera definido por

parmetros intrnsecos da cmera. Estes parmetros so definidos no processo de

calibrao da cmera.

A posio, orientao e rotao do objeto modelo so representadas na matriz

Mmodel e a matriz de transformao MMW a matriz de representao deste objeto no

mundo. Para manter a simplicidade do modelo sem perder sua generalizao possvel

adotar a matriz identidade I para agrupar estas matrizes.

A representao Mdev a matriz do objeto rastreado que sofre mudanas a cada

t quadro capturado (TRUCCO & VERRI,1999).

2.4 REABILITAO VIRTUAL

Atualmente, diversas aplicaes computacionais foram incorporadas ao

processo de reabilitao tradicional, por meio de jogos digitais, com a inteno de

promover a motivao do paciente durante a execuo de uma terapia.

Esta aplicao comumente denominada de Terapia Virtual ou Reabilitao

Virtual, entretanto esta terminologia deve ser ampliada para que possa ter a compreenso

do termo em todas as suas dimenses.

A expresso Reabilitao Virtual pode ser definida como o uso de uma interface

digital, desenvolvida para uma terapia especfica com a qual, sua execuo tende a ser

13

mais prazerosa e empolgante, e sem deixar os requisitos funcionais de uma atividade

reabilitadora tradicional (RIZZO e KIM, 2005).

Todavia, o que se constata em uma terapia virtual ou uma sesso de reabilitao

virtual o uso indiscriminado de consoles de videogame apenas para motivar a execuo

dos exerccios (MONTEIRO JR. et al., 2011), evidenciando, assim, apenas uma pequena

parte do conceito do termo.

Sabe-se que a reabilitao virtual potencializa a execuo dos exerccios

(BURDEA, 2003). Entretanto, uma informao clnica dos exerccios realizados deve ser

gerada (ABDELHAK; GROSTICK; HANKEN, 2011), a fim de se avaliar a

aplicabilidade do protocolo de tratamento por meio da interface digital. Portanto, uma

Reabilitao Virtual propriamente dita, deve fornecer condies ao terapeuta de avaliar

os dados obtidos, a partir da interface utilizada pelo paciente.

Esta interface pode ser construda para oferecer resistncia (BURDEA, 2003) ao

movimento e acompanhar a execuo do mesmo (ATTYGALLE, DUFF e RIKAKIS,

2008), ou como o caso da reabilitao cognitiva virtual, transportar, por meio de tcnicas

de RV, o usurio para outra realidade, na qual possa realizar as atividades teraputicas

com conforto e segurana, oferecidos pelo ambiente virtual (TOUS et al., 2012).

H tambm, a reabilitao virtual que usufrui de tcnicas de RA que incorporam

informaes e objetos virtuais ao processo, por meio da captura de movimentos

(GIRONE et al., 2000).

O uso da tecnologia de RA nas prticas de reabilitao favorecem uma melhor

acomodao da postura, assim como o reflexo no espelho do paciente ao executar um

exerccio paciente (KAKESHITA e ALMEIDA, 2006), porm, com a adio de mais

informaes ao movimento e ao estado fsico do paciente em tempo real, propiciando

uma vantagem motivacional para a realizao do exerccio (CAMPAGNA e BREGA,

2009).

Com a possibilidade de utilizar a RA como tecnologia para captura de

movimentos, a Reabilitao Virtual ganha um recurso que potencializa a interface, dando

um grau de liberdade e contribuindo, desta forma, para prticas de exerccios

reabilitadores.

14

2.5 CAPTURA DE MOVIMENTOS PARA REABILITAO VIRTUAL

Para se registrar os movimentos do paciente e associ-los ao ambiente virtual

necessria uma tecnologia de captura de movimento, do ingls Motion Capture (MoCap).

Esta consiste em capturar o movimento de um objeto ou pessoa do mundo real, com a

finalidade de reproduzir tais movimentos em personagens inseridos em ambientes virtuais

(MENACHE, 1999).

H diversas tcnicas de MoCap e podem ser classificadas de acordo com o

dispositivo que realiza o rastreio dos movimentos, podendo ser: Sonoro, Eletromagntico,

Eletromecnico ou ptico (GOMIDE et al., 2009).

A plataforma do console de videogame Nintendo WiiTM, se tornou muito popular

em meados de 2007, devido a uma combinao simples de um giroscpio e de um

acelermetro triaxial, provia informaes sobre o posicionamento do controle no espao,

e, desta forma, era realizado a captura do movimento (TORI et al., 2007).

Diversas adaptaes foram realizadas para esta tecnologia e dispositivos foram

desenvolvidos para impulsionar a prtica de atividade fsica, como, por exemplo, o Wii-

Balance Board, que atualmente so muito teis na reabilitao (DIAS; SAMPAIO;

TADDEO, 2009).

Estes dois dispositivos favorecem a execuo de exerccios e estimulam

acondicionamento muscular, de equilbrio e de fora por meio de jogos e interfaces

ldicas sendo conduzidas pelo sensor de movimento.

O controle (Wii RemoteTM ou, apenas, Wii-MoteTM) recolhe informaes de sua

posio no espao. Ele composto por um sensor de luz infravermelha, localizada na sua

extremidade frontal, um giroscpio, no interior do controle, que combina as informaes

e d o posicionamento do dispositivo referente ao console ou a um receptor bluetooth que

pode ser associado a um microcomputador.

a) Wii-Mote b) WiiBalance

Figura 4 - Dispositivos da plataforma Nintendo WiiTM

Fonte: site oficial Nintendo Wii (http://www.nintendo.com/wii)

15

H basicamente duas verses do controle, a exemplo da Figura 4. A Figura 4a.

mostra o dispositivo padro, e a figura Figura 4b uma variao do dispositivo que analisa

o foco do peso do usurio (movimento de balano), este denominado de WiiBB ou Wii

Balance BoardTM.

Este dispositivo faz parte do WiiTM na verso Sports ou Fit, e basicamente um

sensor de presso associado ao controle de uma interface, funcionando como uma espcie

de balana que detecta os movimentos do usurio.

H tambm os dispositivos de infravermelho como o Cybex Trazer (Figura 5)

que, por meio da monitorao ptica a partir de um cinto afixado no paciente, realiza a

captura de movimentos e representa o usurio no monitor de vdeo em uma interface de

jogo (TRAZER, 2012).

A interface permite melhorar a agilidade, coordenao, o equilbrio e a

velocidade do movimento alm de monitorar alguns dados biomtricos como a frequncia

cardaca e fornece dados estatsticos como calorias, durao do exerccio, altura mxima

de salto.

A popularizao do MoCap por meio tico deve-se ao barateamento dos

equipamentos (cmeras de vdeo e sensores de movimento) e o aprimoramento das

tcnicas de processamento de imagem, que do suporte ao desenvolvimento de sistemas

que conseguem obter a posio e a orientao do usurio frente ao dispositivo

(CONDELL; MOORE; MOORE, 2006).

Figura 5 Usurios utilizando o Cyber TRAZER (TRAZER, 2012).

Estes sistemas empregam tcnicas de processamento e anlise de imagens para

estabelecer a posio de um objeto no espao 3D. Desta forma, com base na anlise de

suas caractersticas, define uma localizao espacial dentro do domnio 2D de um nmero

de cmaras que combinadas podem gerar uma informao tridimensional do objeto

analisado (BIGONHA et al., 2008).

16

Para os sistemas ticos de MoCap h duas abordagens comuns: a abordagem

baseada em marcador e a livre de marcadores (MOESLUND, HILTON e KRGER,

2006), e sua organizao didtica mostrada na Figura 6.

Na literatura comumente encontrada a abordagem baseada em marcadores

reflexivos e passivos como forma de identificar a posio do objeto no espao. Por meio

de algoritmos cinemticos e de predio de movimento estabelece-se a referncia de um

corpo ou objeto virtual em funo do tempo.

Figura 6 - Organizao Didtica das Tcnicas de MoCap baseada em Captura de Vdeo (adaptado

de (MOESLUND, HILTON e KRGER, 2006).

Os marcadores podem ser construdos de materiais que refletem a luz de volta

ou que possuam luminosidade prpria. Devido a esta caracterstica so denominados de

marcadores reflexivos. Estes pontos se tornam brilhantes e se destacam na imagem

capturada, com a aplicao de filtros de processamento de imagem, como Thresholding,

que isola os pontos mais brilhantes do resto da imagem.

Entretanto, para uma captura eficiente do movimento necessrio que a pessoa

que o executa, vista um traje preto, conforme exemplo na Figura 7, para no causar rudos

na anlise da imagem.

muito comum em sistemas de captura de movimento utilizar tais trajes para

facilitar o processo de afixao de marcadores (TOIVIANINEN e BURGER, 2011).

Porm, por no ser de fcil lavagem, no muito higinico utiliz-lo em clnicas.

Alm disso, devido ao seu alto custo de aquisio, estas roupas so costumeiramente

encontrada apenas nos centros de pesquisa. A Figura 7 evidencia o uso da tecnologia de

marcadores passivos reflexivos e uma roupa apropriada para afixao dos marcadores, no

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canto esquerdo inferior da imagem apresentado o sistema de captura de movimentos em

execuo.

Figura 7 - Exemplo de roupas especiais para captura de movimento (TOIVIANINEN e BURGER,

2011)

Outra tcnica o uso de marcadores passivos, ou seja, no reflexivos. Estes

marcadores podem ser fiduciais (Fiducial Tags) ou coloridos (Colored Tags), esto

visualizados na Figura 8. Nesta figura possvel notar a semelhana entre os modelos: o

fundo de contraste. So diferentes as bordas e o formato do identificador. Dependendo o

tipo de biblioteca ou algoritmo de rastreamento utilizado poder dar informaes sobre o

posicionamento espacial, distncia do objeto e a cmera, rotao do marcador entre outras

informaes.

a) Marcador Fiducial b) Marcador Colorido

Figura 8 -Tipos de Marcadores Passivos

Uma vez previamente inseridos e posicionados em pontos definidos no objeto

real, estes marcadores esto habilitados para serem reconhecidos em tempo de execuo.

Adicionalmente, possuem um padro de imagem que identificado unicamente no

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ambiente desejado. O processo de deteco requer a leitura de um padro grfico contido

dentro de um quadrado de bordas.

De forma geral, o processo de captura de movimentos humanos, a partir de

marcadores, consiste em afix-los nas articulaes do corpo, identificando a posio dos

membros e articulaes. Em seguida, importante gravar a movimentao e, em um

processo posterior, processar os dados da imagem, combinando com um modelo pr-

definido de um corpo humano (MURRAY, GOULERMAS e FERNANDO, 2003).

O uso de marcadores fiduciais possui algumas restries tais como a condio

de iluminao, a dificuldade de rastreio, devido restrio dos graus de liberdade, e tende

a provocar a ocluso ou sobreposio de marcadores (MATTHIESEN, 2009).

Estas restries podem ser atenuadas aumentando o nmero de cmeras para

captura. Entretanto, tem-se um incremento exponencial na complexidade destes sistemas

(DIAS Jr et al., 2006).

J as tcnicas sem marcadores so menos restritivas, dando assim a impresso

de maior liberdade de movimentos ao usurio, e so capazes de superar o problema da

ocluso. Porm, a complexidade se instala na representao deste movimento que to

significativa quanto baseada em marcadores (BAILLOT et al., 2003).

O funcionamento da tcnica de MoCap sem marcadores baseada na anlise da

silhueta da imagem do ator que est realizando o movimento em contraste com o fundo

da imagem. A partir de ento, a nuvem de pontos formada pela silhueta combinada com

um modelo articulado do corpo humano (BERGER et al., 2011).

A tcnica de MoCap sem marcadores tem sido muito empregada na criao de

dispositivos que executam de maneira eficiente a tarefa de traduzir o movimento humano

em pontos de coordenadas que possam ser mapeadas pelo computador (AGUIAR et al.,

2008).

Ademais, para se conseguir uma eficincia razovel, era necessrio um nmero

elevado de cmeras dispostas ao redor do ator para que o movimento fosse capturado. No

entanto, esta tcnica no teve muita aplicabilidade para a reabilitao por inmeras

razes, como espao fsico destinado para o ator se movimentar, custo operacional,

complexidade de operao do equipamento, o que tornou pouco atrativa para seu uso

comercial (KOLB et al., 2009).

Com o advento do Microsoft Kinect em 2010, a MoCap sem marcadores, ganhou

uma maior acurcia e desempenho, permitindo que esta tcnica entrasse tambm na rea

do entretenimento por tornar a forma de interao mais intuitiva (SHOTTON et al., 2011).

19

O dispositivo oferece a possibilidade de acompanhar, dependendo do campo de

viso, o movimento de vrias pessoas ao mesmo tempo, entretanto, para aplicaes de

reabilitao este processo de captura, pode gerar algumas distores de posicionamento,

como a localizao dos pontos anatmicos do corpo e pontos de captura encobertos.

As funes mais importantes do MS-KinectTM, observado na ilustrao da

Figura 9, esto associadas ao rastreio de movimentos do usurio frente interface. Para

tal funcionalidade, so empregados componentes de hardware tais como emissor de luz

infravermelho, cmeras de vdeo, cmera de infravermelho, um vetor de microfones um

acelermetros de trs eixos e um motor de inclinao da cmera (WEBB e ASHLEY,

2012).

Figura 9 - Dispositivo MS-KinectTM (WEBB; ASHLEY, 2012)

O aparelho destaca-se tambm por devolver a posio tridimensional de um

conjunto de pontos associados s juntas principais do corpo humano, baseado em um

esqueleto humano de referncia (BILLIE, 2011).

De certa forma, o dispositivo promoveu um avano nas aplicaes de

reabilitao facilitando a interao e a captura de movimento sem o uso de marcadores.

Todavia, ainda emerge a racionalizao do movimento capturado evidenciando de certa

forma sua aplicao como ferramenta de rastreio de movimentos.

20

2.6 AVALIAO DO MOVIMENTO TERAPUTICO

Tanto para a reabilitao convencional quanto a virtual, a anlise de movimento

deve ser a mesma, e ser pautada na condio fsica e psicomotora do indivduo a ser

reabilitado. Desta forma, os exerccios teraputicos so prescritos observando a

capacidade de movimento ou a amplitude de movimento que o membro ou regio do

corpo possui deficincia (TAHARA et al., 2008).

Para se medir esta amplitude de movimento comumente utilizado um

equipamento manual denominado de gonimetro e para realizar a transposio do real no

virtual so necessrias tcnicas de processamento de imagem para auferir as mesmas

medidas (DAMASCENO, CARDOSO e LAMOUNIER, 2011).

Para se definir o protocolo de tratamento indicado em que a reabilitao promova

a melhora do paciente, necessrio que o terapeuta realize, primeiramente, uma anamnese

pautada em um questionrio de referncia e, em seguida, selecione os exerccios que

podero fornecer melhor acondicionamento ao paciente (LOPES e BRITO, 2009).

O terapeuta executa uma srie de anlises goniomtricas a fim de se obter uma

medida inicial da incapacidade e da limitao do paciente causada pela deficincia. Desta

forma, o nmero de repeties indicadas para cada exerccio estabelecido (RIBEIRO e

MOREIRA, 2011).

Para uma aferio correta necessrio que o paciente fique na posio anatmica

ereta padro, ou seja, em p, com a face para frente do observador, mantendo o olhar para

o horizonte, com os membros superiores estendidos, aplicados ao tronco e com as palmas

voltadas para frente, conforme visto na conforme Figura 10a, mantendo os membros

inferiores unidos, com as pontas dos ps dirigidas para frente (CALAIS-GERMAIN,

2005).

As aferies so realizadas pela observao da mobilidade da articulao, que

possui liberdade de movimento em at trs planos concomitantemente. Os planos podem

ser classificados em Sagital, Frontal e Horizontal, conforme podem ser vistos na Figura

10b.

O plano Sagital divide o corpo simetricamente em partes direita e esquerda. O

Plano Frontal ou Coronal divide o corpo em partes anterior (ventral) e posterior (dorsal),

e por fim o Plano Horizontal ou Transversal que divide o corpo em partes superior

(cranial) e inferior (caudal).

A compreenso destes em relao ao plano e ao eixo que so encontrados de

grande importncia para os fisioterapeutas e outros profissionais da rea da reabilitao.

21

Isto porque estes conceitos formam a base na elaborao de um programa de atividades

tanto para fortalecimento quanto para reabilitao propriamente dita.

a) Posio anatmica padro b) Planos de diviso do corpo humano

Figura 10 - Posio Anatmica de Referncia (CALAIS-GERMAIN, 2005).

As nomenclaturas e a definio destes movimentos podem ser visualizadas no

Quadro 1, o qual descreve os movimentos articulares de modo geral.

Quadro 1 - Nomenclatura de Movimentos Corpreos

Movimentos Gerais Definio

Flexo Movimento no plano sagital, em que dois segmentos do corpo (proximal e distal) aproximam-se um do outro.

Extenso Movimento no plano sagital, em que dois segmentos do corpo (proximal e

distal) afastam-se um do outro.

Abduo Movimento no plano frontal, quando um segmento move-se para longe da

linha central (mdia) do corpo.

Aduo Movimento no plano frontal, a partir de uma posio de abduo de volta

posio anatmica, podendo at ultrapass-la (Aduo alm da linha mdia)

Circunduo Movimento circular de um membro que descreve um cone, combinando os

movimentos de flexo, extenso, abduo e aduo.

Abduo Horizontal Movimento no plano horizontal afastando-se da linha mediana do corpo.

Aduo Horizontal Movimento no plano horizontal aproximando-se da linha mdia do corpo.

Rotao Externa Movimento no plano horizontal, em que a face anterior volta-se para o plano

mediano do corpo.

Rotao Interna Movimento no plano horizontal, em que a face anterior volta-se para o plano

lateral do corpo.

Estas nomenclaturas de termos descrevem os movimentos que podem ser

aplicados para vrias articulaes em todo o corpo, porm, alguns termos so especficos

para certas regies e juntas (BRITO e OLIVEIRA FILHO, 2003).

22

De acordo com cada movimento realizado determinado um plano de anlise

que melhor evidencie a formao angular entre os membros escolhidos para anlise da

sua articulao.

2.7 MOVIMENTOS DA COLUNA VERTEBRAL

A coluna vertebral junto aos msculos e articulaes inerentes a ela

considerada o eixo e o pilar central do corpo. A cabea articula-se com o incio da coluna

vertebral e gira sobre a mesma; os membros superiores esto ligados a ela pelos ngulos

dos membros superiores.

A coluna vertebral contm completamente a medula espinhal, parcialmente os

nervos raquidianos e, ainda, ajuda na proteo das vsceras do pescoo, trax e abdome.

Ela tambm responsvel ainda por distribuir o peso do resto do corpo aos membros

inferiores e ao cho quando o indivduo est em p.

A coluna vertebral flexvel porque composta de 33 pequenas partes que

constituem unidades sseas ligeiramente mveis - as vrtebras. A estabilidade, desta

estrutura esqueltica, depende de ligamentos e msculos que mantm articuladas as

unidades sseas. As vrtebras so os ossos, que em nmero total de 33 unidades, formam

a coluna.

A coluna vertebral do adulto apresenta quatro curvaturas no plano sagital:

cervical, torcica, lombar e sacra. Nela est compreendido este conjunto de 33 ossos, que

analisados de cima para baixo so: 7 vrtebras cervicais, 12 vrtebras torcicas, 5

lombares, 5 vrtebras rudimentares fundidas, compondo o osso sacro, e outras 4 vrtebras,

tambm rudimentares e fundidas, que formam o pequeno osso denominado de cccix

(ANDRADE, ARAJO e VILAR, 2005).

Cada vrtebra lombar possui uma poro anterior (corpo vertebral), responsvel

pela sustentao, suporte de peso e amortecimento de choques e uma poro posterior

(orifcio), que serve de guia direcional.

As funes da coluna lombar so: conexo flexvel entre as metades superior e

inferior do corpo, proteo da medula espinhal, sustentao de peso, flexibilidade e

absoro de choques.

Somente movimentos limitados so possveis entre vrtebras adjacentes, mas a

soma desses movimentos confere considervel amplitude de mobilidade na coluna

vertebral como um todo.

23

Movimentos de flexo, extenso, lateralizao, rotao e circundao so todos

possveis, sendo essas aes de maior amplitude nos segmentos cervical e lombar que no

torcico. Isso ocorre porque os discos intervertebrais cervicais e lombares apresentam

maior espessura, no sofrem o efeito de conteno da caixa torcica, seus processos

espinhosos so mais curtos e seus processos articulares apresentam forma e arranjo

espacial diferente dos torcicos (LIMA, 2007).

2.8 LOMBALGIA MECNICA

A Lombalgia Mecnica (LM), tambm conhecida como Lombalgia Ocupacional

(CID M54.5 Dor Lombar Baixa), uma das doenas mais reincidentes na populao

mundial, e, portanto, alvo de investigao de prticas e tecnologias para atenuao destas

incidncias.

um consenso que a maior parte das investigaes aponta que h uma forte

evidncia de que a cinesioterapia tem efeitos positivos no tratamento de dores lombares

(HAYDEN et al., 2005).

A cinesioterapia um conjunto de processos reabilitadores que utilizam de

exerccios fsicos, no intuito de aprimorar, fortalecer ou reeducar os msculos envolvidos

no distrbio doloroso (GUIMARES e CRUZ, 2003).

Esta sensao de dor ou incmodo doloroso d a classificao dos quadros de

LM, que so definidos em funo do tempo em que o paciente sofre das dores. Ela pode

ser aguda, subaguda ou crnica (HELFENSTEIN, GOLDENFUM e SIENA, 2010).

A LM considerada aguda quando tem uma durao inferior a 6 (seis) semanas,

subaguda quando permanece entre as 6 (seis) e as 12 (doze) semanas e crnica quando a

sua durao superior a 3 (trs) meses (PEREIRA, PINTO e SOUZA, 2006).

Em pelo menos 20% (vinte por cento) dos casos de lombalgia se referem LM,

ou seja, a doena foi contrada por um traumatismo ou uma atividade fsica extenuante

ligada a um esforo fsico, muito comum nas atividades laborais (HELFENSTEIN,

GOLDENFUM e SIENA, 2010).

E devido a esta associao, a LM tem provocado uma elevao do custo

socioeconmico para a sociedade, pois o absentesmo causado por esta doena somente

menor que a cefaleia, a comumente chamada de dor de cabea (PIRES e DUMAS, 2009).

24

A LM causa restries e redues da mobilidade, limitando a amplitude de

movimento, impedindo seu portador levantar pesos, caminhar, deitar-se, se levantar ou

mesmo se acomodar em uma cadeira sem que haja algum reflexo doloroso.

E a falta ou a omisso de tratamento por parte do indivduo leva,

consequentemente, a um incremento na severidade do quadro sintomtico e acarreta em

fadiga precoce dos msculos paravertebrais, (que auxiliam na manuteno da postura do

indivduo), com alterao de seu desempenho funcional (PONTE, 2005).

O diagnstico da LM realizado por meio de anamnese clnica, na qual o mdico

observa as sensaes de dor autopercebida do paciente ao executar alguma atividade da

vida diria e pela resposta ao questionrio de Rolland-Morris (ROLAND e FAIRBANK,

2000) e Owestry (FRITZ e IRRGANG, 2001), que delimitam a pesquisa de evidncias da

patologia.

Quando as evidncias do exame clnico no so suficientes para se ter um

diagnstico preciso so recomendados exames adicionais como ultrassom e radiografias

para se confirmar o diagnstico (PEREIRA, PINTO e SOUZA, 2006).

A partir de ento comea a interveno fisioterpica que baseada no

fortalecimento dos msculos estabilizadores da coluna por meio de exerccios de

alongamento, flexo e extenso da coluna, fortalecimento do abdome e dos glteos e uma

reeducao postural.

A escolha do grupo de exerccios, realizada pelo terapeuta, normalmente est

ligada a trs fatores preponderantes: a capacidade de mobilidade do paciente (RIBEIRO

e MOREIRA, 2011), a espasticidade (GOMES et al., 2006), que um aumento de tnus

muscular e exaltao de reflexos dos tendes, e a intensidade de dor autopercebida

(SAMPAIO et al., 2005), que uma informao que o prprio paciente relata antes do

incio de cada sesso.

A fim de se obter uma medida qualitativa e quantitativa foi estabelecido um

conjunto baseado na srie de Willians e de Mackenzie, comumente aplicada na

reabilitao e estabilizao da dor para pacientes de lombalgia mecnica (HAYDEN et

al., 2005).

As duas sries de exerccio tm por funo reduzir a dor e melhorar estabilidade

de tronco. Isto possvel por aumento da fora muscular de reto abdominal, glteo

mximo e squio-tibiais. Tambm so realizados alongamentos dos flexores de quadril e

msculos da regio lombar de forma assistiva (na qual o terapeuta ajuda na execuo dos

exerccios) ou de forma proprioceptiva (na qual o terapeuta apenas observa a execuo

dos exerccios).

25

O objetivo promover a extenso dos msculos da regio lombar a fim de obter

uma melhor acomodao do disco intervertebral e, portanto, diminuio da dor. De forma

a ilustrar os exerccios fsicos que so exigidos para a reabilitao da LM foi elaborado o

Quadro 2.

.

Quadro 2 Exerccios Recomendados

Nome do Exerccio

Posio Explicao Ilustrao

Extenso da Coluna

Em p Apoiando-se pelas costas, curvar-se, jogando

a cabea para trs do corpo;

Deitado em decbito ventral

Apoiando o corpo pelas mos, erguer-se ao mximo, tentando colocar a coluna em

90graus;

Flexo da Coluna

Em p Curvando-se,de joelhos esticados, tentando encostar as pontas dos dedos das mos nos

ps;

Deitado em posio sentada

Sentado, esticando os branos, tentando encostar as pontas dos dedos das mos nos

ps;

Elevao de Glteo

Deitado em decbito dorsal

Deitado,eleva-se o quadril, mantendo as costas e os ps imveis no cho.

Contrao do Abdome

Deitado em decbito dorsal

Firmando-se com os braos, eleva-se as pernas, curvando-as de forma a encost-las

na barriga

Flexo Lateral Tronco

Em P Firmando-se as mos na cintura, e

flexionando o tronco para os lados, sem alterar a posio da cabea.

Agachamento Em P Mantendo o equilbrio do corpo, flexiona-se

o joelho at encostar o joelho na barriga, sempre com a cabea olhando para frente.

Estes exerccios so propostos como forma de alongamento muscular e ajudam

o paciente a restaurar a boa postura ao corrigir os desequilbrios musculares, melhorando

a mobilidade articulatria, aumentando a flexibilidade e fortalecendo os msculos da

coluna (RIBEIRO e MOREIRA, 2011).

O paciente inicia o tratamento motivado pela sensao de cura, mas tambm

motivado e encorajado pelo terapeuta a obter uma maior amplitude de movimento, o que

ir acelerar o tempo de tratamento e aumentar a flexibilidade do corpo, reduzindo, desta

forma, a incidncia de dor (KLEINPAUL, RENATO e MORO, 2009).

Entretanto, nota-se que mesmo com a motivao e o encorajamento pelo

terapeuta, ainda encontra-se na populao mundial, um alto ndice de desistncia da

terapia, principalmente, logo aps o desaparecimento da sensao dolorosa.

26

Todavia, esta falta de sensao dolorosa no significa que a doena regrediu ou

desapareceu, mas que os msculos se adaptaram e esto mais fortalecidos (MCGILL,

2001). Torna-se necessrio uma abordagem multidimensional na avaliao dos atributos

da dor, os quais incluem intensidade, durao e localizao da dor. Estas caractersticas

so somatossensoriais e emocionais e podem variar de paciente para paciente

(COLOMBO et al., 2007).

2.9 CONSIDERAES FINAIS

Este captulo apresentou os fundamentos necessrios para a compreenso de um

sistema de Reabilitao Virtual, evidenciando as tcnicas de captura de movimento que

utilizam a tecnologia de Realidade Aumentada com e sem marcadores.

No prximo captulo, apresentam-se os trabalhos correlatos que foram avaliados

com o intuito de identificar evidncias que justifiquem a construo de um novo prottipo

e um arcabouo para novos sistemas de reabilitao motora com captura de movimentos

em RA.

27

3. TRABALHOS RELACIONADOS

3.1 INTRODUO

Para apoiar este trabalho e identificar as caractersticas de interesse no campo de

pesquisa, conduziu-se uma reviso bibliogrfica que est organizada de forma a

contemplar a evoluo do uso de dispositivos e sistemas computacionais para o

tratamento da Lombalgia Mecnica.

Os princpios apresentados na Reabilitao Virtual se fundamentam nas terapias

j existentes com tnue varincia para a adaptao de um dispositivo no convencional

de interao.

Os dispositivos mostrados neste captulo so agrupados de acordo com as

tecnologias requeridas para seu funcionamento. Inicia-se com dispositivos baseados em

eletromiografia (EMG), seguidos de dispositivos de acelermetros e por fim os sistemas

que usufruem da tecnologia de captura de movimento baseada em RA, com e sem

marcadores.

Nestes trabalhos correlatos evidenciado o uso de tcnicas de captura de

movimentos com intuito de fornecer informaes sobre o movimento e descrever o

desempenho do paciente durante a terapia. Estes trabalhos foram classificados de acordo

com a tcnica utilizada para imergir o usurio ao sistema e a forma como os movimentos

do usurio refletem nas aes de feedback.

3.2 CAPTURA DE MOVIMENTOS COM ELETROMIOGRAFIA (EMG)

Um sinal eletromiogrco (EMG) consiste em um potencial eltrico produzido

pela contrao de determinado msculo, sendo medido na superfcie da pele (no

invasivo) ou internamente pele (invasivo) nas camadas mais superficiais do msculo.

A partir desta captura de sinal, possvel traar parmetros para a conduo de uma

interface com o computador (ESTEVES et al., 2007).

Consideraes pautadas no estudo do protocolo de tratamento se mantm no

modo convencional, sendo a EMG utilizada apenas como uma ferramenta para avaliar

28

ndice de estresse muscular ou a fadiga do msculo (BANDEIRA, BERNI e

RODRIGUES-BIGATON, 2009).

H tambm outra forma de tratamento da lombalgia por meio de EMG. Ela

feita utilizando eletrogonimetros para obter medies dinmicas de juntas e articulaes

corpreas.

possvel encontrar dois tipos de eletrogonimetros, o primeiro tipo (Figura

11a) um instrumento semelhante ao gonimetro universal, constitudo igualmente por

dois braos, um fixo e outro mvel colocado na articulao desejada, mas

instrumentalizados, de forma a fornecer informaes como potncia, velocidade, fora e

medidas angulares (LOSS et al., 2011). J o segundo, o extensmetro digital (Figura

11b), um dispositivo construdo a partir do princpio de integrao de potencimetros

com extensores, possuindo dois blocos de plstico nas extremidades ligados por um fio

flexvel acoplado ao extensmetros e instrumentado por uma interface computacional

(RODRIGUES, 2010).

a) Eletrogonimetro b) Extensmetro Digital

Figura 11 Exemplo de Elegrogonimetro e Extensimetro Digital

Ambos possuem sinal de frequncia que podem ser analisadas e utilizadas como

entrada de dados em uma interface para tratamento ou mesmo para distrao da dor e da

fadiga, causada pela deficincia ou estresse muscular (PERNAMBUCO et al., 2010).

A variao do ngulo formado pelos dois blocos provoca uma alterao na

resistncia dos extensmetros, fornecendo desta forma uma tenso proporcional ao

ngulo formado pelo movimento (GOPURA e KIGUCHI, 2011).

Para anlise biomecnica dos membros inferiores e superiores esta abordagem

se destaca pela sua simplicidade e capacidade de gerar informaes precisas sobre o

movimento realizado. Porm, para uma abordagem de tratamento, ou mesmo, avaliao

e acondicionamento dos msculos lombares, esta abordagem possui restries.

29

Estas restries compreendem as interferncias que podem ser classificadas

como intrnseca, quando relacionada anatomia e propriedade fisiolgica do msculo

avaliado, pela camada ou espessura de gordura e pelo controle do sistema nervoso

perifrico. E, considerada extrnseca, quando estas restries esto relacionadas com a

instrumentao usada na coleta dos sinais, pelo posicionamento dos eletrodos, pela

motivao e estresse d