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Análise do ciclo da marcha humana através de sistema bidimensional

Análisis del ciclo de marcha humana a través de un sistema bidimensional

 

*Doutoranda/o em Engenharia Mecânica/Biomecânica

**Mestranda/o em Engenharia Mecânica/Biomecânica

Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, UNESP

(Brasil)

Marcelo Guimarães Silva*

Gislaine Priscila de Andrade**

Daniel Érico Rodrigues**

Liana Paula Queiroz**

Glauce Gonzaga Silva*

marceloguimas@bol.com.br

 

 

 

 

Resumo

          A marcha humana envolve uma série de movimentos complexos em todos os segmentos corporais e para que seja possível a análise da marcha nos seus diferentes aspectos é imprescindível a segmentação temporal do movimento, para facilitar a identificação dos eventos relacionados a cada etapa. Esta pesquisa teve como objetivo identificar através de cinemetria bidimensional, os ângulos articulares do quadril, joelho e tornozelo durante as fases da marcha humana normal, destacando três fases de maior relevância, que são: o apoio calcâneo, o apoio total do pé e o apoio em antepé. Através de análise bidimensional feita por câmera de filmagem foi possível obter quadros de imagens de cada voluntário; utilizando o programa Kinovea® identificou-se os ângulos em cada articulação demarcada com esferas de isopor. Após este processo utilizou-se o programa Matlab 7.0 para elaboração da rotina específica e plotagem gráfica da marcha de cada voluntário. Foram levantados dados cinéticos, tais como: forças e momentos atuantes nos segmentos, coxa, perna e pé e dados dos ângulos articulares foram obtidos utilizando equações matemáticas nas três principais fases do ciclo da marcha. Para a pesquisa foram utilizados quatro voluntários, sendo dois homens e duas mulheres, com idades entre 25 a 36 ± 4,57 anos; altura entre 1,66 a 1,80 ± 0,06 m. A metodologia apresentada foi suficiente para comprovação do mecanismo de instrumentação para análise da marcha humana proposta, identificando através do comportamento gráfico das curvas as variáveis intervenientes da marcha; este sistema de análise proposto pode ser utilizado, em pequenas ou em grandes amostras. Os resultados apresentados mostraram coerência quanto ao movimento de progressão do ciclo da marcha humana normal. As diferenças encontradas podem ser devido às amostras serem compostas por ambos os gêneros, com alturas e massas diferentes, e principalmente o estilo de marcha de cada participante. A amostra com quatro voluntários atingiu os objetivos relacionados à análise bidimensional da marcha humana; mesmo se tratando de um grupo restrito, os resultados atingidos foram representativos. Novas pesquisas deverão ser realizadas com número maior de amostras, comparando-se grupos específicos, e investigando variáveis intervenientes do ciclo da marcha.

          Unitermos: Marcha humana. Sistema bidimensional. Matlab.

 

Abstract

          The human gait involves a series of complex movements in all body segments and to be able to gait analysis in its different aspects is essential to temporal segmentation of motion to facilitate the identification of events related to each step. This research aimed to identify through two-dimensional kinematics, the joint angles of the hip, knee and ankle gait phases during normal human gait, detailing three phases more relevants, which are: support calcaneus, the full support of the foot and support forefoot. Through dimensional analysis made ​​by camera shooting was possible to obtain image frames from each volunteer; using the program Kinovea ® identified the angles at each joint demarcated with polystyrene spheres. After this process we used the Matlab 7.0 for elaboration of specific routine and graphical plotting gait of each volunteer. Kinetic data were collected, such as forces and moments acting on segments, thigh, leg and foot and joint angles data were obtained using mathematical equations in the three main phases of the gait cycle. For research we used four volunteers, two men and two women, aged 25 to 36 ± 4.57 years, height between 1.66 to 1.80 ± 0.06 m. The methodology presented was sufficient to prove the mechanism of instrumentation for analysis of human gait proposal, identifying through the behavior graph curves intervening variables of gait, this analysis system proposed can be used in small or large samples. The results showed consistency regarding the movement cycle progression of normal human gait. The differences may be due to the samples being composed of both genders, with different heights and masses, and especially the marching style of each participant. The sample with four volunteers reached the objectives related to two-dimensional analysis of human gait, even when dealing with a small group, the results achieved were representative. Further research should be conducted with larger number of samples, comparing specific groups, investigating and intervening variables of the gait cycle.

          Keywords: Human gait. Two-dimensional system. Matlab.

 

 
EFDeportes.com, Revista Digital. Buenos Aires, Año 18, Nº 188, Enero de 2014. http://www.efdeportes.com/

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Introdução

    Atualmente, define-se a marcha por comportamentos motores compostos por movimentos integrados do corpo humano. São comportamentos cíclicos que permitem estabelecer critérios objetivos para a distinção entre estrutura de movimentos normais e anormais, assim como a discriminação de mudanças causadas pelo desenvolvimento do indivíduo. A análise e o treinamento da marcha e da corrida são elementos principais da prática fisioterápica e da medicina de reabilitação. À medida que os avanços tecnológicos se tornam mais sofisticados, a análise biomecânica detalhada da marcha e da corrida pode ser realizada cada vez mais em um ambiente clínico e precisa ser mais amplamente compreendida pela classe médica e pesquisadores (ANDRADE, 2002). Nas duas formas locomotoras de movimento, as ações do corpo são cíclicas, envolvendo seqüências em que o corpo é suportado primeiro por uma perna e depois pela outra. A locomoção humana é realizada na postura bípede e é referida na literatura como marcha. A marcha humana envolve uma série de movimentos complexos em todos os segmentos corporais e para que seja possível a análise da marcha nos seus diferentes aspectos é imprescindível a segmentação temporal do movimento, para facilitar a identificação dos eventos relacionados a cada etapa. A locomoção deve atender a várias exigências simultâneas, dentre as quais destacam-se: a propulsão do corpo para frente ou para trás; manutenção do equilíbrio em condição estática e dinâmica, em situação variável de apoio; coordenação entre postura, equilíbrio e locomoção com adaptação. Apesar de dois indivíduos não se locomoverem de forma idêntica, algumas características da marcha são universais, e servem como base para a descrição cinemática, eletro miográfica e dinâmica da marcha (VIEL, 2001 citado por SILVA, 2009).

    A marcha humana normal é caracterizada por um ciclo que se inicia com o contato do calcanhar com o solo (fase de apoio) e termina quando o pé deixa o solo (fase de oscilação). Em situações normais, a fase de apoio constitui aproximadamente 60% do ciclo e a fase de oscilação, 40%. Na marcha, enquanto o corpo, em movimento, passa para a perna de apoio, a outra perna balança para frente, preparando-se para a próxima fase de apoio. Um dos pés está sempre em contato com o solo e, no instante em que o apoio transfere-se da perna apoiada para a perna que avança, há um breve período em que ambas as pernas estão em contato com o chão. Esse período é chamado de duplo apoio (AMADIO et al, 1996).

    Na marcha com velocidades moderadas, ocorrem movimentos sincrônicos de quase todas as partes importantes do corpo. A pelve se inclina, gira e oscila conforme se move para frente. Os segmentos do membro inferior apresentam deslocamentos nos três planos espaciais, enquanto os ombros giram e os braços balançam em fase contrária aos deslocamentos da pelve e das pernas. Deste modo, vamos descrever a marcha como a translação do corpo sendo um todo no espaço e, para isso, vamos usar o conceito da trajetória do centro de massa (CM) do corpo (LATEUR, LEHMANN, 1994). Durante a marcha, o CM do corpo não permanece em uma posição fixa, mas ainda assim, encontra-se dentro da pelve por dois motivos principais: os movimentos da pelve nos três planos espaciais são rápidos e a pelve é uma estrutura que favorece a divisão do corpo em metades superior e inferior, com comportamentos diferentes durante a marcha (INMAN et al., 1998).

Objetivo

    Esta pesquisa teve como objetivo identificar o comportamento gráfico das curvas dos ângulos articulares do quadril, joelho e tornozelo, durante as fases da marcha humana normal, através de sistema de análise bidimensional.

Metodologia

Amostra experimental

    Como critério de inclusão foram selecionados quatro adultos aparentemente saudáveis. Como critérios de exclusão, os participantes não podiam ter discrepância nos membros inferiores, ser portador de alguma deficiência física, ter sido submetido a alguma cirurgia ou ter sofrido alguma lesão nos membros inferiores, que pudessem alterar o padrão normal de sua marcha. Não houve qualquer restrição ou limite quanto ao peso corporal dos participantes. A tabela 1 mostra a descrição das variáveis: idade, peso corporal e altura.

Tabela 1. Descrição das variáveis de cada participante

Procedimentos éticos

    Após terem sido informados sobre os procedimentos e objetivos do estudo, cada voluntário ou responsável, assinaram um termo de consentimento livre e esclarecido (CNS/MS 196/96), aprovado na Comissão de Ética CEP/UNITAU nº 299/09.

Protocolo experimental

    Os voluntários foram instruídos a realizar um ciclo normal da marcha humana, respeitando o padrão individualizado, numa única tentativa. Os ensaios foram realizados no Laboratório de Biomecânica da Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá (FEG/UNESP). A velocidade e ritmo das passadas foram as mesmas de uma caminhada padrão, executada no dia a dia. Neste caso específico, foram analisadas o ciclo completo da marcha, porém 3 fases foram consideradas “chave” ou de transição e que demarcaram a análise posterior; são as seguintes: a) Fase do o apoio calcâneo: caracterizada pelo início do contato do calcanhar com o solo; neste instante iniciou-se a análise e captação de quadros (imagem). b) Fase do apoio total do pé ou aplanamento: caracterizada como o apoio unipodal, em que o voluntário apoiou o pé direito desde o calcâneo até o metatarso, e o pé esquerdo em transferência, neste instante estava fora do solo, projetando-se a frente. c) Fase do apoio em antepé: conhecido também como fase de apoio na ponta do pé, em que o voluntário faz a transferência de energia da perna direita para a esquerda, a fim de evoluir na sua passada para frente.

Procedimentos experimentais

    Para o ensaio foram utilizados marcadores passivos através de esferas de isopor fixados nos seguintes acidentes ósseos do membro direito; acrômio, trocânter maior e epicôndilo lateral do fêmur (coxa), côndilo lateral da tíbia e maléolo lateral (perna), tuberosidade lateral do osso calcâneo (tornozelo) e cabeça do quinto metatarso (pé). O momento do primeiro contato do calcâneo no solo foi determinado como ponto inicial da análise e o apoio do antepé ao fim de um ciclo completo da marcha foi determinado como ponto final; todos os instantes capturados pela filmagem entre uma fase e outra foram analisados e separados através de quadros de imagens (MPEG).

Instrumentação utilizada

    A aquisição de imagens foi feita através de uma câmera, Samsung ES65, posicionada paralelamente ao voluntário numa distância de 3m do voluntário, no plano sagital; utilizou-se esferas de isopor de 15mm de diâmetro, seccionadas ao meio, com pontos determinados segundo o modelo antropométrico para análise da marcha humana proposto por Winter (1990). Para aquisição dos ângulos articulares utilizou-se o programa gratuito Kinovea®, através do uso deste programa obteve-se os ângulos do quadril, joelho e tornozelo. Utilizou-se o programa Matlab 7.0, para desenvolvimento de rotina de linguagem computacional específica para análise da marcha e plotagem gráfica dos ângulos. Através destes gráficos foi possível estabelecer fases importantes do ciclo da marcha, podendo ser feitas análises individuais ou simultaneamente de todos os voluntários.

Análise e discussão dos resultados

    Para obter os gráficos utilizando o programa computacional Matlab 7.0, elaborou-se rotinas de linguagens especificas para o programa. As figuras 1, 2 e 3 mostram os resultados de cada voluntário plotados num único gráfico de cada análise de ângulo articular; voluntário A (linha de cor vermelha), voluntário B (linha de cor verde), voluntário C (linha de cor azul) e voluntário D (linha de cor azul com círculo).

Análise do ângulo do quadril

    Os resultados do ângulo do quadril mostraram-se coerentes com o esperado para o padrão do ciclo de marcha humana normal (ANDRADE, 202; MARTINS, 2002; GOMES, 2007). Adotou-se como ponto de referência analisado; a região anterior do quadril, de maneira que a 1ª fase da marcha apresentou valores de ângulo menores que a 2ª fase da marcha, pois a medida que ocorre a transição da 1ª para a 2ª fase, o quadril se estendeu, conforme a evolução do gráfico apresentado na figura 1; na 3ª fase os valores dos ângulos reduziram mostrando uma característica semelhante à marcha normal na preparação da fase de balanço (GOMES, 2007). O voluntário C apresentou valores mais elevados, devido a características individuais do padrão de marcha, porém não alteraram as curvas significativamente; os voluntários A e D apresentaram valores próximos e de acordo com o padrão esperado; o voluntário B apesar de iniciar com valores menores que os outros, apresentou uma progressão dentro do esperado e atingiu valores próximos dos voluntários A e D. Pode-se afirmar que a média encontrada no ciclo da marcha normal para os quatro voluntários apresentou características de comportamento de curva semelhantes, conforme representada no gráfico (figura 1).

Figura 1. Gráfico do ângulo do quadril de quatro voluntários no ciclo de marcha humana normal

Análise do ângulo do joelho

    A figura 2 mostra os resultados do comportamento gráfico das curvas do ângulo dos joelhos de cada voluntário. Os dados de referência foram tomados na região posterior do joelho (SILVA, 2009; ROSA, 2010); também denominada referência de ângulo relativo. Nesta análise, observou-se que na 1ª e 2ª fases os valores de ângulo mantiveram-se lineares, pois em ambas as fases, de acordo com o padrão da marcha, o joelho se mantém em extensão. No início da 3ª fase ocorreu um declíneo, pois o joelho tende a flexionar (INMAN, 1998; PERRY, 2005). Os resultados encontrados apresentaram similaridade no ciclo de marcha analisado.

Figura 2. Gráfico do ângulo do joelho de quatro voluntários no ciclo de marcha humana normal

Análise do ângulo do tornozelo

    Na articulação do tornozelo os ângulos apresentaram variações maiores em relação aos ângulos do quadril e joelho (WINTER, 1990; ANDRADE, 2002; SILVA, 2009), influenciado provavelmente pela pressão plantar exercida no momento do contato com o solo (FRS – força de reação do solo). Os resultados apresentados (figura 3) mostram que estas variações não influenciaram no padrão esperado da marcha humana normal (PERRY, 2005; GOMES, 2007). O ponto de referência adotado para esta análise foi a região anterior do tornozelo (WINTER, 1990).

Figura 3. Gráfico do ângulo do tornozelo de quatro voluntários no ciclo de marcha humana normal

Conclusão

    O sistema de análise bidimensional do ciclo de marcha humana utilizado nesta pesquisa mostrou ser eficiente na verificação do comportamento do indivíduo durante as principais fases da marcha. Os dados levantados mostraram coerência com o padrão esperado da marcha humana normal para todos os voluntários, numa análise absoluta. Foram identificadas algumas variações intra-voluntários, na análise relativa que possivelmente são devido às características morfológicas do grupo selecionado e ao padrão individual do movimento. Para uma análise detalhada do ciclo de marcha humana, devemos verificar também o centro de massa e de pressão plantar, pois através destas análises é possível identificarmos o deslocamento do corpo nas diferentes fases e termos um padrão de confiabilidade adequado. Novas pesquisas devem ser realizadas com número maior de amostras, comparando-se grupos específicos, e investigando variáveis intervenientes do ciclo da marcha.

Referências

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