veículo de difusão de informações em análise de marcha, reabilitação e biomecânica, captura de movimento para produções industriais
clinical gait analysis, rehabilitation and biomechanics, industrial "motion capture" (MoCap)



Sistemas

A marcha humana é uma atividade complexa, pois deriva da ação coordenada de sofisticados sistemas de controle neural e de atuação biomecânica (sistema músculo esquelético). Por consequência, a análise da marcha, e sua compreensão para o planejamento de tratamentos de reabilitação, é dificil. A avaliação observacional do movimento e estudos da cinemática bidimensional (2D) são subjetivos ou limitados ao plano sagital, assim, a análise tridimensional (3D) é o meio necessário para o estudo clínico da marcha.

Os sistemas de análise de marcha consistem em um conjunto de instrumentos sincronizados para a medição da cinemática (1) 3D, cinética (2) e fases de atividade de alguns músculos superficiais dos membros inferiores.

A medição da cinemática 3D é realizada, em sua maioria, pelo processo de estereofotogrametria (3), com a utilização de marcadores passivos (4) fixados ao corpo do paciente em pontos anatômicos específicos, e câmeras de vídeo analógicas ou digitais, equipadas com luminárias e filtros de luz infravermelha (IV) – a incidência da luz IV sobre os marcadores produz um grande contraste com o restante da imagem, o que possibilita o aumento da acuidade na determinação de sua posição. Para a reconstrução da posição espacial de cada marcador são necessárias as imagens simultâneas de duas câmeras, entretanto, devido às obstruções de imagens ocorridas durante a marcha, normal e patológica, com o emprego do sistema Helen Hayes de marcadores (5), um conjunto de 5 câmeras, operando a uma frequência de 60Hz, e uma sala de captura de dimensões mínimas 12m x 8m (comprimento e largura), são consideradas adequadas para esta finalidade.

O cálculo da cinética nas articulações é realizado pelo processo de dinâmica inversa (6). Na fase de apoio da marcha, uma força de contato é adicionada às equações da dinâmica: força de reação do solo, o que impossibilitaria a sua solução. Para mensurar esta incógnita, são utilizados instrumentos denominados plataformas de força, posicionados no piso do laboratório, no caminho percorrido pelo paciente. Para que a força de reação do solo seja medida corretamente, é necessário que se pise com apenas um dos pés inteiramente sobre a plataforma, em decorrência disso, para diminuir o esforço empreendido pelo paciente em avaliações de marcha patológica, alguns laboratórios possuem instalações com mais de uma plataforma de força. Entretanto, o paciente não deve ser informado a este respeito, pois, caso isso ocorra, ele poderá alterar seu padrão usual de marcha.

A eletromiografia dinâmica (EMG) de superfície é empregada para mensurar a fase de ativação de músculos superficiais durante a marcha. Este equipamento não deve ser confundido com sistemas de eletroneuromiografia (ENMG), que possibilitam também o estudo da condução nervosa. Os dados de EMG são avaliados conjuntamente com os de cinética, para permitir determinar como determinados músculos contribuem em cada movimento. Atualmente, com o desenvolvimento de modelos matemáticos complexos do sistema músculo-esquelético (7), as informações EMG tornaram-se imprescidíveis.

Custos:

Embora o emprego da análise clínica da marcha esteja fundamentada em pesquisas científicas desenvolvidas nos últimos 15 anos (Gait & Posture, Journal of Biomechanics, Journal of Pediatric Orthopaedics, Journal of Bone and Joint Surgery, etc), devido à sua não difusão no Brasil, questões econômicas são colocadas como o principal impedimento para a adoção desta tecnologia por centros de reabilitação públicos ou privados. O custo de aquisição de um sistema de captura e análise de movimento 3D pode variar entre US$120.000 e US$200.000, dependendo de sua configuração. Entretanto, extenso trabalho realizado em 2005 [Reddy 2005], demonstrou que esta questão não é verdadeira, pois os custos de aquisição e manutenção de um sistema de alto desempenho pode ser equilibrado por uma demanda mensal de 11 pacientes. Em pesquisa recente [Wren et al. 2009], foi determinado que o custo final do tratamento de reabilitação (fees for the surgeon, anesthesia, operating room, hospital stay, physical therapy, and GA) em pacientes com paralisia cerebral é estatísticamente equivalente (GA: $20,448/person-year, NGA: $19,535/person-year; P=0.58) para pacientes sem e com a aplicação da análise de marcha, entretanto a incidência de cirurgias subsequentes é superior em pacientes sem o suporte da análise de marcha (NGA: 0.3 surgerie/person-year, GA: 0.1 surgerie/person-year; P<0.001). Assim, a questão fundamental não é econômica, mas sim educacional: a difusão de conhecimento.

  1. 1- Cinemática: fornece a descrição matemática da posição espacial de corpos ou sistemas de partículas, e suas variações no decorrer do tempo (velocidade e aceleração).
  2. 2- Cinética: é o ramo da mecânica clássica que estuda os efeitos de forças e momentos sobre corpos rígidos (algumas vezes é utilizada como sinônimo de dinâmica).
  3. 3- Estereofotogrametria: sistema de medição de posições espaciais por meio de imagens (fotografias ou vídeos).
  4. 4- Marcadores passivos: esferas revestidas por material refletivo.
  5. 5- Helen Hayes marker set: modelo biomecânico dos membros inferiores desenvolvido no Orthopaedic Engineering and Research Center, Helen Hayes Hospital, EUA, constituido por 13 marcadores.
  6. 6- Dinâmica inversa: cálculo das forças e momentos por meio de mensurações da cinemática e parâmetros inerciais de corpos rígidos.
  7. 7- OPENSIM: programa de modelamento do sistema músculo-esquelético desenvolvido na Universidade de Stanford pela Simbios (NIH Center for physics-based Simulation of Biological Structures) https://simtk.org/home/opensim


Bibliografia:

  • Física 1 – Mecânica, EDUSP
  • Enciclopédia Britannica On-Line
  • Reddy K N, Economic Evaluation of Clinical Gait Analysis: A Cost-Benefit Approach. Tese de Mestrado submetida à Escola de Economia da Universidade de Queensland, Austrália. 2005.
  • Wren T A L, Kalisvaart M M,Ghatan C E,Rethlefsen S A,Hara R, Sheng M, Chan L S,Kay R M. Effects of Preoperative Gait Analysis on Costs and Amount of Surgery. J Pediatr Orthop. 2009;29:558-563.

Autor:

Wagner de Godoy Engenheiro Mecânico
Laboratório de Estudos do Movimento Einstein (LEME) - HIAE