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Artigo de método

Características biomecânicas de membros inferiores associadas à terminação de marcha não planejada sob diferentes velocidades de caminhada

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DOI:

10.3791/61558

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25 de agosto de 2020

 ,  ,  ,  , 
1Faculty of Sports Science, Ningbo University, 2School of Health and Life Sciences, University of the West of Scotland, 3Faculty of Engineering, University of Szeged

Neste artigo

Resumo

Este estudo comparou as características biomecânicas da extremidade inferior durante o término da marcha não planejada em diferentes velocidades de caminhada. Os dados cinemáticos e cinéticos dos membros inferiores de quinze sujeitos com velocidades normais e rápidas de caminhada foram coletados utilizando um sistema de análise de movimento e uma plataforma de pressão plantar.

Resumo

O término da marcha causado por estímulos inesperados é uma ocorrência comum na vida cotidiana. Este estudo apresenta um protocolo para investigar as alterações biomecânicas dos membros inferiores que ocorrem durante a terminação de marcha não planejada (UGT) sob diferentes velocidades de caminhada. Quinze participantes do sexo masculino foram convidados a realizar UGT em uma passarela em velocidade normal de caminhada (NWS) e velocidade de caminhada rápida (FWS), respectivamente. Um sistema de análise de movimento e uma plataforma de pressão plantar foram aplicados para coletar dados de pressão cinemática e plantar de membros inferiores. O teste T com amostra emparelhada foi utilizado para examinar as diferenças na cinemática dos membros inferiores e nos dados de pressão plantar entre duas velocidades de caminhada. Os resultados mostraram maior amplitude de movimento nas articulações do quadril, joelho e tornozelo no plano sagital, bem como pressão plantar nas regiões do antepé e calcanhar durante a UGT na FWS quando comparada com a NWS. Com o aumento da velocidade de caminhada, os sujeitos apresentaram diferentes características biomecânicas de membros inferiores que mostram FWS associada a maiores riscos potenciais de lesões.

Introdução

A locomoção humana é considerada um processo extremamente complexo que precisa ser descrito pelos métodos multidisciplinares1,2. O aspecto mais representativo é a análise da marcha por abordagens biomecânicas. A marcha humana visa sustentar a progressão da iniciação ao término, e o equilíbrio dinâmico deve ser mantido no movimento de posição. Embora a terminação de marcha (GT) tenha sido extensivamente estudada como uma subtara de marcha, ela tem recebido menos atenção. Sparrow e Tirosh3 definiram GT em sua revisão como período de controle do motor quando ambos os pés param de se mover para frente ou para trás com base nas características de deslocamento e tempo. Em comparação com a marcha de estado estável, o processo de execução do GT exige maior controle da estabilidade postural e integração complexa e cooperação do sistema neuromuscular4. Durante o GT, o corpo precisa aumentar rapidamente o impulso de frenagem e diminuir o impulso de propulsão para formar um novo equilíbrio corporal5,6. A terminação de marcha não planejada (UGT) é uma resposta de estresse a um estímulo desconhecido6. Quando confrontado por um estímulo inesperado que requer que se pare repentinamente, o equilíbrio dinâmico inicial será interrompido. Devido à necessidade de controle contínuo do centro de massa (COM) do corpo e controle de feedback, a UGT representa um desafio maior ao controle postural e à stablity3,7.

A UGT tem sido relatada como um fator importante que leva a quedas e lesões, especialmente em idosos e pacientes com transtornos de equilíbrio3,8. Velocidades de caminhada mais rápidas podem levar a um declínio adicional no controle do motor durante o UGT9. Ridge et al.10 investigaram o ângulo de pico articular e dados de momentos internos de articulação de crianças durante o UGT em velocidade normal de caminhada (NWS) e velocidade de caminhada rápida (FWS). Os resultados mostraram ângulos maiores de flexão do joelho e momentos de extensão em velocidades mais rápidas em comparação com a velocidade preferida. Eles indicaram que o fortalecimento dos músculos relacionados ao redor das articulações das extremidades inferiores poderia ser uma intervenção útil para a prevenção de lesões durante a UGT.

Embora o efeito da velocidade de caminhada no caráter biomecânico dos membros inferiores durante a marcha de estado estável tenha sido extensivamente estudado11,12,13, o mecanismo biomecânico da UGT sob diferentes velocidades de caminhada é limitado. Pelo que sabemos, apenas três estudos avaliaram especificamente o desempenho ugt de indivíduos saudáveis no que diz respeito aos efeitos de velocidade9,10,14. No entanto, os sujeitos nesses estudos foram principalmente os idososde 14 anos e as crianças10, o mecanismo biomecânico dos jovens adultos durante a UGT ainda não está claro. A cinemática dos membros inferiores e a pressão plantar podem fornecer uma análise precisa da biomecânica da locomoção, e estes também são considerados componentes cruciais para diagnósticos clínicos de marcha15,16. Por exemplo, Serrao et al.17 utilizaram dados cinemáticos de membros inferiores para detectar as diferenças clínicas entre pacientes com ataxia cerebelar e contrapartes saudáveis durante a parada súbita. Além disso, em comparação com a terminação planejada da marcha (PGT), poderiam ser observadas maiores pressões de pico e força no metatarso lateral durante oUGT,o que pode estar associado a maiores riscos de lesões.

Portanto, explorar os mecanismos biomecânicos da UGT poderia fornecer insights para a prevenção de lesões e outras pesquisas clínicas. Este estudo apresenta um protocolo para investigar qualquer alteração biomecânica em adultos jovens durante o UGT em diferentes velocidades de caminhada. A hipótese é que, com o aumento da velocidade de caminhada, os participantes apresentariam diferentes características biomecânicas de membros inferiores durante o UGT.

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Protocolo

O Comitê de Ética Humana da Universidade de Ningbo aprovou este experimento. Todo o consentimento informado por escrito foi obtido de todos os sujeitos depois que foram informados sobre a meta, requisitos e procedimentos experimentais do experimento UGT.

1. Preparação laboratorial para marcha

  1. Cinemática: Sistema de captura de movimento
    1. Ao calibrar o sistema, desligue as luzes incandescentes e remova quaisquer possíveis objetos reflexivos que possam ser confundidos com marcadores retro-reflexivos passivos. Certifique-se de que oito câmeras infravermelhas são adequadamente apontadas e têm uma visão clara e razoável.
    2. Conecte o dongle USB apropriado na porta paralela do PC. Ligue as câmeras infravermelhas de captura de movimento e o conversor analógico-digital.
    3. Abra o software de rastreamento no PC e dê tempo para as oito câmeras infravermelhas inicializarem. Selecione "Local System" nó do painel "Resources". Cada nó de câmera mostrará uma luz verde se a conexão de hardware for verdadeira.
    4. Ajuste os parâmetros do sistema no painel de visão da câmera: ajuste a Intensidade do Estroboscópico para 0,95 - 1, Limiar para 0,2 - 0,4, Ganho para vezes 1 (x1), Modo de Escala de Cinza para Auto, Relação de Circularidade Mínima para 0,5 e Altura Max Blob para 50.
    5. Coloque o quadro T composto por 5 marcadores no centro da área de captura de movimento. Selecione todas as câmeras usando o modo 2D e confirme que elas podem visualizar a varinha de calibração (quadro T) sem qualquer interferência e/ou artefatos. Clique no item " Preparação dosistema" na barra de ferramentas e selecione o objeto de calibração de 5 marcadores Wand & T-Frame da lista de quedas do Quadro T.
    6. No painel "Tool", selecione o botão "Preparação do Sistema" e clique no botão "Iniciar" na seção "Calibrar câmeras". Em seguida, acene fisicamente o quadro T no intervalo de captura. Pare a ação quando as luzes azuis das câmeras infravermelhas pararem de piscar. Monitore a barra de progresso até que o Processo de Calibração seja concluído em "100%"e retorne a "0%".
      NOTA: Certifique-se de que os valores do Erro de imagem são inferiores a 0,3.
    7. Coloque o quadro T no chão (o centro da área de captura de movimento) e certifique-se de que os eixos do quadro T sejam consistentes com a direção da direção.
    8. Selecione o botão "Iniciar" sob a seção "Definir origemdo volume " no painel da ferramenta.
  2. Pressão plantar: Plataforma de pressão
    1. Coloque a plataforma de pressão de 2 m no centro da área de teste. Observe as oito câmeras infravermelhas exibidas ao redor da plataforma de pressão.
    2. Divida a plataforma de pressão em quatro áreas médias, A, B, C e D (cada área é de 50 cm * 50 cm) de forma linear e distingue-as com um rótulo/adesivo do alfabeto(Figura 1).
    3. Mantenha o PC e a plataforma de pressão conectados através do cabo de dados proprietário.
    4. Clique duas vezes no ícone de software na área de trabalho.
    5. Clique na "Calibração de Peso" na tela de calibração e insira a massa corporal de uma equipe. Peça a ele ou a ela para ficar na plataforma de pressão, esperando até que o sistema complete a calibração automaticamente antes de poder sair da plataforma de pressão.

figure-protocol-1
Figura 1: Protocolo experimental. Se os sujeitos receberam o sinal de rescisão como o calcanhar tocou área(A),o UGT foi executado de modo que o sujeito parou na área(B). Os dados de pressão cinética e plantar foram coletados sincronia. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Preparação do participante

  1. Antes do teste UGT, entreviste todos os sujeitos e forneça-lhes uma explicação simples sobre as metas e procedimentos experimentais. Obter consentimento por escrito informado de sujeitos que atendam aos principais critérios de inclusão.
    1. Incluir participantes que sejam adultos do sexo masculino fisicamente ativos, tenham a perna direita como dominante, não tenham nenhum distúrbio auditivo, não tenham distúrbios nos membros inferiores e não tenham sofrido lesões nos últimos seis meses.
      NOTA: 15 indivíduos do sexo masculino (idade: 24,1 ± 0,8 anos; altura: 175,7 ± 2,8 cm; peso corporal: 68,3 ± 3,3 kg; comprimento dos pés: 252,7 ± 2,1 mm) que atenderam às condições experimentais foram incluídos neste teste.
  2. Permitir que todos os sujeitos preencham uma pesquisa de questionário.
    NOTA: As perguntas incluem: Você tem um histórico de corrida ou outras atividades físicas? Com que frequência você faz atividades físicas em uma semana? Você tem algum treinamento atlético profissional? Você sofreu algum distúrbio e lesões nos membros inferiores nos últimos seis meses?
  3. Certifique-se de que todos os sujeitos usem camisetas idênticas e calças justas.
  4. Meça a altura de pé (mm) e o peso corporal (kg), o comprimento do membro inferior (mm), a largura do joelho (mm) e a largura do tornozelo (mm) da perna esquerda e direita usando pinça Vernier ou antropômetro pequeno.
    NOTA: Medir o comprimento do membro inferior da coluna ilílica superior ao condíle medial do tornozelo; a largura do joelho da lateral para o condyle do joelho medial; a largura do tornozelo da lateral para o condíle do tornozelo medial.
  5. Raspe os pelos do corpo conforme apropriado e remova o excesso de suor usando lenços umedecidos. Prepare áreas de pele de marcos anatômicos para colocação de marcadores em articulações e segmentos.
    NOTA: Este estudo utilizou 16 marcadores reflexivos18, incluindo coluna ilícía anterior-superior (LASI/RASI), coluna ilícida posterior-superior (LPSI/RPSI), meio-coxa lateral (LTHI/RTHI), joelho lateral (1LKNE/RKNE), mid-shank lateral (LTIB/RTIB), maleeolus lateral (LANK/RANK), segunda cabeça metatarsal (LTOE/RTOE) e calcâneo (LHEE/RHEE) (Figura 2).
  6. Identifique 16 marcos anatômicos. Nos marcos, conecte marcadores retro-reflexivos passivos com fitas adesivas de dois lados.
  7. Dê a cada sujeito 5 minutos para se adaptar ao ambiente de teste e aquecer com leve corrida e alongamento.

figure-protocol-2
Figura 2: Os marcadores reflexivos ligados aos membros inferiores. (A)lado,(B) frente e(C) traseira. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. Calibração estática

  1. Cinemática: Sistema de captura de movimento
    1. No software de rastreamento, encontre o "Novo Banco de Dados" na barra de ferramentas para construir um banco de dados. Clique no painel "Gestão de Dados" para abrir o painel " DataManagement" e clique em ordem do botão " NewPatient Classification", "New Patient" e " NewSession". Retorne à janela "Resources", selecione "Criar um novo assunto" para criar um sujeito, e digite os valores de altura (mm), peso corporal (kg), comprimento da perna (mm), largura do joelho (mm) e largura do tornozelo (mm) no painel "Propriedades".
    2. Clique no "Go Live" e clique no painel "Split Horizontalmente" no painel "View". Em seguida, selecione o gráfico para exibir a contagem de trajetórias.
      NOTA: Verifique o painel "Perspectiva 3D" para garantir que todos os 16 marcadores estejam visíveis.
    3. Peça aos sujeitos para ficarem parados na área A. Clique em "Iniciar" na seção de captura de assunto para capturar o modelo estático. Cerca de 200 quadros de imagens foram capturados antes de clicar no botão "Stop".
    4. No painel "Tools", encontre o botão "Pipeline", e clique em "Executar o pipeline de reconstrução" para construir uma nova imagem 3D de todos os marcadores capturados. Identifique-se na lista dos marcadores e aplique manualmente as etiquetas correspondentes aos marcadores. Salve e pressione a tecla"ESC" para sair.
    5. Selecione "Preparação do assunto" e "Calibração do assunto" na barra de ferramentas e escolha a opção " marcha deplug-in estática" no menu suspenso.
    6. Selecione o painel "Pé Esquerdo" e "Pé Direito" no painel "Configurações estáticas" e clique no "Iniciar". Em seguida, salve o modelo estático.
  2. Pressão plantar: Plataforma de pressão
    1. No software, clique em "Banco de Dados" para adicionar um novo paciente. E digite o número do sujeito atribuído no painel "Add Patient". Em seguida, clique em "Adicionar".
    2. Clique em "Dynamic" e digite o peso corporal e o tamanho do sapato. Em seguida, clique em "OK".

4. Ensaios dinâmicos

  1. Peça ao sujeito para estar na posição inicial.
  2. Operações de Software
    NOTA: Os dois tipos de início de software (sistema de captura de movimento: clique no botão "Capturar"; Plataforma de pressão: clique em "Capturar" botão " e final (Sistema de captura de movimento: clique no botão "Stop"; Plataforma de pressão: clique no botão "Salvar medição",), simultaneamente.
    1. Cinemática: Sistema de captura de movimento
      1. Selecione o botão "Go Live" no painel "Resources" e clique em "Capturar" na barra de ferramentas direita. Encontre "Tipo de Teste" e "Sessão" de cima para baixo e edite a descrição "Trial".
      2. Peça aos sujeitos que realizem o teste UGT conforme descrito em 4.3.
      3. Depois de terminar o teste UGT, clique em "Stop" para terminar o teste de coleta de dados. Repita os passos acima por 5 vezes.
    2. Pressão plantar: Plataforma de pressão
      1. Selecione o botão "Medida" antes de iniciar os ensaios UGT.
      2. Depois de terminar o teste UGT, clique no botão "Salvar medição" para salvar dados. Repita os passos acima por 5 vezes.
  3. Ensaios UGT
    1. Peça aos sujeitos para caminhar ao longo de uma passarela em seu NWS e instruí-los a usar a perna dominante e perna não dominante para passar nas áreas A e B, respectivamente, e finalmente parar na área D na plataforma de pressão.
    2. Avise o assunto quando o sinal de rescisão for fornecido eles precisam parar rapidamente na área B.
    3. Forneça aleatoriamente o sinal de rescisão à medida que o calcanhar toque na área A, certifique-se de que o UGT seja executado e os sujeitos parem rapidamente na área B(Figura 1). A equipe envia o sinal de rescisão tocando aleatoriamente um sino vermelho, e a probabilidade de tocar foi controlada em cerca de 20%. Capture pelo menos cinco tentativas UGT sucessivas.
      NOTA: Há um intervalo de descanso de 2 minutos entre ambos os ensaios.
    4. Calcule a velocidade de caminhada de cada sujeito usando o software da plataforma de pressão. Então, calcule o FWS como 125% do NWS.
    5. Repita o teste UGT acima para o FWS. Capture pelo menos 5 testes UGT sucessivos usando o protocolo FWS.

5. Pós-processamento

  1. Cinemática: Sistema de captura de movimento
    1. Encontre o botão "Gerenciamento de Dados" na barra de ferramentas e clique duas vezes no nome de teste no painel " DataManagement". Em seguida, selecione "Reconstruir" e "Rótulo" para reconstruir o modelo dinâmico 3D.
    2. Na barra "Time", mova os triângulos azuis para definir o intervalo de tempo necessário (para a fase de postura durante ugt).
    3. Clique na barra"Time". Em seguida, clique em "Zoom to Region-of-Interest" no menu "Context".
    4. Clique no botão "Label" para identificar e verificar os pontos de rótulo. Certifique-se de que as etapas são as mesmas do processo de identificação estática.
      NOTA: Preencha alguns marcadores de identificação incompletos e exclua os marcadores não rotulados (se necessário).
    5. Escolha a "Marcha Plug-in Dinâmica" no painel "Calibraçãodo assunto ". Em seguida, clique no botão "Iniciar" para executar os dados. Exportar ensaios dinâmicos no formato ".csv" para seguir a análise de dados.
    6. Use um filtro Butterworth de quarta ordem com frequência de corte de 10 Hz e exporte os dados do ângulo articular.
    7. Calcule a amplitude de movimento (ROM) de três articulações (quadril, joelho e tornozelo) no plano sagital.
      NOTA: Defina as diferenças entre os ângulos máximos e os ângulos mínimos do quadril, joelho e tornozelo nos planos de movimento sagital como as ROMs.
    8. Calcular médias (M) e desvios padrão (SD) dos dez ensaios (5 para NWS e 5 para FWS) de cada sujeito.
  2. Pressão plantar: Plataforma de pressão
    1. Selecione o nome de teste no menu "Medidas" dos sujeitos correspondentes. Clique no botão "Dinâmico" para abrir dados.
    2. Clique na seleção "Manual". Use o botão "Left Mouse" para selecionar a etapa de interesse (a fase de postura durante o GT). Clique no botão "OK" para salvar.
    3. Clique na "Divisão de zona" e "Seleção manual de zona" para fazer ajustes. Em seguida, clique no botão "Aceitar" para salvar.
    4. Abra a tela "Pressures-Forces" e clique no botão "Graph Composition" para abrir a janela "Zone Graph Composition". Divida 10 regiões anatômicas, incluindo Big Toe (BT), Other Toes (OT), First Metatarsal (M1), Second Metatarsals (M2), Third Metatarsal (M3), Fourth Metatarsal (M4), Fifth Metatarsal (M5), Mid-Foot (MF), Medial Heel (MH) e Lateral Heel (LH). Em seguida, clique no botão "OK" para salvar.
    5. Clique em "Tabela de Parâmetros" para exportar dados de pressão plantar, incluindo pressão máxima, força máxima e área de contato.
    6. Calcular meios e SDs para 10 ensaios (5 para NWS e 5 para FWS) de cada assunto.

6. Análise estatística

  1. Realize os testes Shapiro-Wilks para verificar a distribuição normal de todas as variáveis. Use testes T amostrados em pares para comparar cinética de membros inferiores e dados de pressão plantar durante ugt no NWS e FWS. Definir o nível de significância em p < 0,05.

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Resultados

Os valores médios e SD de NWS e FWS de 15 sujeitos foram de 1,33 ± 0,07m/s e 1,62 ± 0,11m/s, respectivamente.

A Figura 3 mostra a ROM média das articulações do quadril, joelho e tornozelo no plano sagital durante ugt na NWS e FWS. Em comparação com o NWS, a ROM de três juntas aumentou significativamente na FWS (p<0,05). Em detalhes, a ROM das articulações do quadril, joelho e tornozelo aumentou de 22,26 ± 3,03, 29,72 ± 5,14 e 24,92 ± 4,17 a 25,98 ± 2,94, 31,61 ...

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Discussão

A maioria dos estudos anteriores que analisam a biomecânica da marcha durante a UGT omite a importância da velocidade de caminhada em sua avaliação biomecânica. Assim, este estudo investigou as alterações biomecânicas de membros inferiores que ocorrem no UGT na NWS e FWS com o objetivo de revelar os efeitos relacionados à velocidade.

Diferenças significativas foram encontradas na ROM das articulações do quadril, joelho e tornozelo no plano sagital durante ugt na NWS e FWS. Nossos achados mostr...

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Divulgações

Nenhum potencial conflito de interesses foi relatado pelos autores.

Agradecimentos

NSFC-RSE Joint Project (81911530253), National Key P&D Program of China (2018YFF0300905) e K.C. Wong Magna Fund na Universidade ningbo.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Marcador retrorrefletivo passivo de 14 mm de diâmetroOxford Metrics Ltd., Oxford, Reino Unidon=16
Fita adesiva duplaMinnesota Mining and Manufacturing Corporation, Minnesota, EUAPara fixar marcadores na pele
Câmeras de rastreamento de movimentoOxford Metrics Ltd., Oxford, Reino Unidon= 8
T-FrameOxford Metrics Ltd., Oxford, Reino Unido-
Dongle válidoOxford Metrics Ltd., Oxford, Reino UnidoVicon Nexus 1.4.116
Vicon Datastation ADC Oxford Metrics Ltd., Oxford, ReinoUnido-Plataforma
de pressãoRSscan International, Olen, Bélgica-

Referências

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