Introdução à Biomecânica para Análise do Movimento Humano: Descrição e Aplicação dos Métodos de Medição

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Introdução à Biomecânica para Análise do Movimento Humano: Descrição e Aplicação dos Métodos de Medição

A.C. Amadio, P.H. Lobo da Costa, I.C.N. Sacco, J.C. Serrão, R.C. Araujo, L. Mochizuki e M. Duarte

Laboratório de Biomecânica, Escola de Educação Física da Universidade de São Paulo

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Resumo. Discute-se a conceituação da biomecânica, no contexto de uma disciplina que, entre as ciências derivadas das ciências naturais, ocupa-se com análises físicas de sistemas biológicos, conseqüentemente, análises físicas de movimentos do corpo humano. Assim, através da biomecânica e de suas áreas de conhecimento correlatas podemos analisar as causas e fenômenos relacionados ao movimento humano. A biomecânica é encarada como uma ciência multidisciplinar, levando-se em consideração cada disciplina que compõe esse espectro, que investiga o movimento. Estrutura esta que apresenta-se, devido à natureza de seus estudos, num domínio dinâmico do conhecimento científico onde sempre busca-se, a partir da superposição, um novo aspecto e/ou explicações de fenômenos a partir de problemas interdisciplinares. Considera-se portanto o movimento humano como o objeto central de estudos onde analisamos suas causas e efeitos produzidos em relação a biomecânica. Este estudo sobre o funcionamento físico de estruturas biológicas tem-se baseado principalmente em medidas experimentais. Pela óbvia dificuldade metodológica de acessarmos o comportamento biomecânico de estruturas internas dos sistemas biológicos, a sua parametrização em termos de variáveis biomecânicas internas se torna extremamente dependente de medições externas ao organismo, ou seja, observadas exteriomente, ou por equações de estimação. Desta maneira observamos ser a Biomecânica um importante ramo de interação com áreas diversas que se aplicam ao estudo do movimento humano. Observa-se ainda a validade destes parâmetros biomecânicos para a análise do movimento, na busca de sua otimização, não apenas no sentido de eficiência mas ainda em relação a um processo de economia e controle motor da técnica de movimento. Assim, apresenta-se também uma discussão sobre aspectos de aplicação prática selecionados da locomoção, por tratar-se de uma classe de movimentos muito comum no comportamento motor humano, composta por movimentos integrados e complexos. Palavras-Chaves: Biomecânica, análise do movimento humano, métodos de medição, locomoção.

Abstract. The concept of the Biomechanics have been discussed in the context of a discipline as a part of the natural sciences, and it concerns about physical analysis of the biological systems, and then, human body movements analysis. In this way, it could analyse the causes and events related to human movements throught the Biomechanics and its correlated areas. The Biomechanics is understood as a additive science considering each discipline that is part of this extensive area concerned about movement investigation. Considering the nature of its investigation, this interdisciplinary structure should be in a dinamic change of scientific knowledge to reach new aspects and new phenomenon explanations. In Biomechanics, the human movement is considered as a central study object which causes and effects are analysed. This study of physical functioning of the biological structures is based mostly in experimental measurements. There are innumerables metodological difficulties to acess the biomechanical behavior of the internal structures of biological systems, so its parametrization based in internal biomechanical variables becomes extremelly dependent of external measurements or prediction equations. In this way, it could be understood that the Biomechanics is a important integrative matter with different areas associated with human movement studies. It is also observed the biomechanicals parameters validity related to the movement analysis otimization, not only related to the efficiency but also to the economy and motor control process of the movement tecniques. And finally, it’s also presented a discussion about the pratical aplications aspects related to locomotion, considering that this class of movements is very common and important in the human motor behavior, which includes complex and integrated movements. Keywords: Biomechanics, human movement analysis, measuring methods, locomotion.

Biomecânica é uma disciplina entre as ciências derivadas das ciências naturais, que se ocupa com análises físicas de sistemas biológicos, conseqüentemente, análises físicas de movimentos do corpo humano. Quando dimensionamos a biomecânica no contexto das ciências derivadas, cujo objetivo é estudar o movimento, devemos lembrar que esta reinvidicação científica apoia-se em dois fatos fundamentais: (a) a biomecânica apresenta claramente definido seu objeto de estudo, definindo assim sua estrutura de base do conhecimento; e (b) seus resultados de investigações são obtidos através do uso de métodos científicos próprios, envolvendo todas as etapas do trabalho científico.

Naturalmente estes aspectos são amplamente dinâmicos e não devem sofrer soluções de continuidade em função do tempo, admitindo avanços científicos que colaboram para o crescimento da própria biomecânica. Assim, é muito importante dizermos que não é suficiente a matéria de estudo estar definida, mas também é necessário que existam métodos de estudo próprios para que sejam aplicados na investigação do movimento. O atual desenvolvimento da biomecânica é expresso pelos novos procedimentos e técnicas de investigação, nas quais podemos reconhecer a tendência crescente de se combinar várias disciplinas científicas na análise do movimento. Nos últimos anos o progresso das técnicas de medição, armazenamento e processamento de dados contribuiu enormemente para a análise do movimento. É claro que nenhuma disciplina se desenvolve por si mesma; para a sua formação, a biomecânica recorre a um complexo de disciplinas científicas, e, particularmente na biomecânica pode-se observar uma estreita relação entre as necessidades e exigências da prática do movimento humano.

Em princípio deve-se considerar que a estrutura funcional de um sistema biológico passou por um processo organizacional evolutivo de otimização, que se diferencia sensivelmente do caminho de aperfeiçoamento técnico do movimento. Em contraposição a um corpo rígido, a estrutura biológica do corpo humano permite a produção de força através da contração muscular, que transforma o corpo num sistema independente e assim acontece o movimento.

O corpo humano portanto, pode ser definido fisicamente como um complexo sistema de segmentos articulados em equilíbrio estático ou dinâmico, onde o movimento é causado por forças internas atuando fora do eixo articular, provocando deslocamentos angulares dos segmentos, e por forças externas ao corpo. Desta maneira definimos que a ciência que descreve, analisa e modela os sistemas biológicos é chamada Biomecânica, logo uma ciência altamente interdisciplinar dada a natureza do fenômeno investigado. Assim, a Biomecânica do movimento busca explicar como as formas de movimento dos corpos de seres vivos acontece na natureza a partir de parâmetros cinemáticos e dinâmicos (1).

Conhecimentos científicos, portanto, possibilitam o desenvolvimento de métodos para o estudo de fenômenos naturais, indispensáveis para a compreensão dos parâmetros que compõem o universo do movimento humano. A biomecânica interna investiga as forças que têm sua origem dentro do corpo e que na maioria dos casos pressupõem conhecimento da biomecânica externa. Portanto com relação a aplicação da biomecânica para análise e investigação de movimentos do corpo humano e consequentemente do movimento esportivo, poderíamos apresentar a biomecânica subdividida em duas áreas de estudo: Biomecânica interna e Biomecânica externa.

Gutewort (2) discute ainda sobre o estágio científico empírico-indutivo primário, em que a biomecânica se fundamenta, isto devido ao fato de que nem todas as condições do processo de movimento são conhecidas e, assim sendo, não podem ser experimentalmente denominadas. Por esse motivo, os processos teórico-dedutivos devem ser mais desenvolvidos e aplicados do que até o momento. Segundo critérios teórico-metodológicos ou até segundo outros critérios empíricos, a classificação dos movimentos caracteriza o próprio desenvolvimento dessa ciência. Quando nos referimos ao movimento esportivo, como objeto de estudo nesta relação das dependências múltiplas de fenômenos para a sua interpretação, devemos salientar que isto ocorre em função da natureza complexa dos multielementos que interferem na sua composição e, consequentemente, influenciam no comportamento e rendimento deste mesmo movimento. Procura-se definir através de métodos e princípios biomecânicos os parâmetros que caracterizam a estrutura técnica fundamental do movimento humano.

Na área de análise do movimento esportivo, o comportamento da sobrecarga articular e os efeitos dos mecanismos motores no processo de aprendizagem são exemplos de áreas do conhecimento, que se relacionam com a diagnose no esporte. Portanto referímo-nos ainda a uma biomecânica do esporte que dedica-se ao estudo do corpo humano e do movimento esportivo em relação as leis e princípios físico-mecânicos incluindo os conhecimentos anatômicos e fisiológicos do corpo humano. No sentido mais amplo de sua aplicação, ainda é tarefa da biomecânica das atividades esportivas a caracterização e otimização das técnicas de movimento através de conhecimentos científicos que delimitam a área de atuação da ciência, que tem no movimento esportivo seu objeto de estudo, considerando-se ainda que a biomecânica do esporte integra outras áreas da ciência que, possuem igualmente no movimento esportivo, a definição do seu objeto de estudo.

O relacionamento entre os parâmetros estruturais do movimento faz-se presente, na prática, através da real interdependência entre os dois parâmetros (qualitativo e quantitativo), dada a natureza da tarefa de movimento a ser realizada. Assim sendo, encontramos distintos tipos de relacionamento com participação de maior ou menor grau dos parâmetros estruturais para cada tarefa de movimento. Quanto maior a interdependência tanto mais avançado é o processo de especialização e maturidade do movimento. Muito raramente poderíamos encontrar tarefas de movimento de interesse de estudo onde não existisse interdependência alguma entre estes parâmetros estruturais do movimento. Portanto, quanto maior a interdependência, tanto maior é a possibilidade de entendermos a estrutura de movimento na sua concepção mais complexa para a análise. No processo de investigação do movimento em biomecânica, busca-se a definição de um método para a orientação da análise experimental, procedimento este que poderá envolver uma ou um conjunto de técnicas que permitirão o esclarecimento de problemas na estrutura da investigação e assim o primeiro passo é o estabelecimento de objetivos para o desenvolvimento da análise do movimento humano.

Outro aspecto muito importante em estudos biomecânicos é o desenvolvimento de uma ampla base de dados relativa a informações acerca do movimento humano. A possibilidade de intensificar as interpretações estatísticas de modelos biomecânicos depende, em primeiro lugar, da expansão dos parâmetros e variáveis do movimento, que devemos buscar através de estudos experimentais e demais registros sobre informações de testes em biomecânica.

Através da biomecânica e de suas áreas de conhecimento correlatas podemos analisar as causas e fenômenos do movimento. Para que possamos entender melhor a complexidade do movimento humano e explicarmos suas causas, é necessário que outros aspectos da análise multidisciplinar sejam também considerados. A biomecânica é encarada como uma ciência multidisciplinar, levando-se em consideração cada disciplina que compõe esse espectro, que investiga o movimento humano e de outros seres vivos. Além da biomecânica fazem parte desse campo de estudo e de pesquisa outras importantes disciplinas como a antropometria, a neurofisiologia, a fisiologia geral, a bioquímica, o ensino do movimento, a psicologia, a física (mecânica), a matemática, a eletrônica - instrumentação e processamento de sinais, etc.. Outro aspecto a ser discutido é sobre os limites ou fronteiras entre as disciplinas científicas e neste sentido observamos ser uma prática de alguma forma artificial, pois na realidade sempre existem domínios de sobreposição. Este dilema é típico de todas as ciências e ainda pertence a estrutura dinâmica de progresso no conhecimento científico onde sempre busca-se, a partir da sobreposição, um novo aspecto e ou explicações de fenômenos a partir de problemas interdisciplinares.

Considerando o movimento humano como o objeto central de estudos em educação física e esportes, analisamos suas causas e efeitos produzidos em relação a biomecânica e demais áreas de estudos que compõem esta multidisciplinar independência no estudo do movimento humano. Para a investigação deste movimento em biomecânica, tornase necessário pela complexidade estrutural do mesmo, a aplicação simultânea de métodos de mensuração nas diversas áreas do conhecimento da ciência. A este procedimento denomina-se "Complexa Investigação" do movimento. Este procedimento deve envolver todos os métodos de pesquisa em biomecânica determinados pelas variáveis a serem observadas na análise do movimento. Temos, por exemplo, combinações simultâneas e sincronizadas de procedimentos cinemáticos e dinâmicos que são comuns e necessários para a interpretação do movimento.

Todo estudo biomecânico depende da determinação de grandezas mecânicas (qualitativas ou quantitativas), as quais podem ser interpretadas como propriedades do corpo humano em análise comportamental ou mesmo entendidas no processo de desenvolvimento como sendo passível a alterações. Dessa forma, as técnicas de medição de grandezas físicas aplicadas ao corpo humano, são essenciais para o estudo tanto na biomecânica externa quanto na biomecânica interna. Medir uma grandeza física significa estabelecer uma relação entre esta e uma grandeza-unidade de mesma natureza. Metodologicamente no desenvolvimento de um processo de medição invariavelmente incorremos em erros, que necessitam serem controlados. Inicialmente, classificamos os erros segundo sua natureza: erro estático (erro de leitura; sensibilidade, reprodutibilidade, etc); e erro dinâmico (considerando-se a relação entre frequência própria do movimento e frequência de registro). Outro fator de erro é observado em função de o sistema de medição nem sempre acompanhar a rápida modificação das grandezas a serem medidas.

Poderíamos ainda interpretar os erros de medida segundo suas causas: (a) erro sistemático - erros de escala ou função do aparelho (deve-se corrigí-lo quando conhecido, ou estimá-lo de forma geral, e assim, busca-se a correção do resultado através da determinação de fatores de correção que permiterá a redução de tais erros); (b) erro ocasional - erros imprevistos por erros pessoais na regulagem dos aparelhos, leitura de escalas, ou ainda alterações na energia, seja voltagem ou temperatura do ambiente (elimina-se esse erro repetindo a medição e deve-se mencionar essa incerteza e erro no trabalho); (c) erro absoluto; (d) erro relativo.

Padronizar procedimentos de medida em biomecânica torna-se uma tarefa difícil, pois o processo de coleta, armazenamento e digitação de dados depende muito dos avanços tecnológicos e de mudanças que têm ocorrido; o que nos impede de traçar técnicas definitivas. Mudanças ocorrem no sentido tanto da pesquisa básica do desenvolvimento de equipamentos e materiais como ainda nas aplicações da biomecânica.

Classificação dos Métodos de Medição

Genericamente os métodos utilizados em biomecânica podem ser classificados nas seguintes categorias: (a) teórico-dedutivos ou determinísticos, baseados somente em leis físicas e relações matemáticas (relações causais), (b) empírico-indutivos ou indeterminísticos, baseados em relações estatísticas (relações formais) e relações experimentais, e ainda (c) os métodos combinados, que tentam conjugar os dois anteriores, em função do problema científico a ser tratado.

Poderíamos classificar os procedimentos de medição em biomecânica nas seguintes categorias: (a) Procedimentos Mecânicos - observações de grandezas por observação direta e que não se alteram muita rapidamente. (b) Procedimentos Eletrônicos - grandezas. mecânicas são transformadas em elétricas, logo facilita a medição de grandezas que se alteram rapidamente com o tempo e daí adaptem-se ao processamento de dados, permitindo desta maneira medições dinâmicas. (c) Procedimentos Ópticos-eletrônicos (processamento de imagens) representação óptica e geométrica do objeto a ser analisado. Neste caso as análises e medições são feitas no modelo, ou seja, são procedimentos indiretos uma vez que a análise é feita no modelo representado.

Quanto às técnicas de medição em biomecânica poderíamos resumidamente relacionar os métodos que representam todo o suporte de desenvolvimento e evolução da ciência particularmente em biomecânica do esporte: (a) simulação e otimização computacional da técnica de movimento; (b) comando e controle da técnica de movimento por computação; (c) análise da sobrecarga do aparelho locomotor.

Por sua vez, a Biomecânica pode ser dividida em Biomecânica interna e externa, dada a grande diferença de sua abordagem e alvo. A Biomecânica interna se preocupa com as forças internas, ou seja, forças transmitidas pelas estruturas biológicas internas do corpo tais como forças musculares, forças nos tendões, ligamentos, ossos e cartilagem articular. Elas estão intimamente relacionadas com a execução dos movimentos e com as cargas mecânicas exercidas pelo aparelho locomotor, representadas pelo stress (o estímulo mecânico necessário para o desenvolvimento e crescimento das estruturas do corpo). O conhecimento destas forças internas tem aplicações como o estudo clínico da marcha patológica originada por anomalia muscular, transplante de tendão ou amputação de membros, por exemplo, no aperfeiçoamento da técnica de movimento, assim como na determinação de cargas excessivas durante as atividades físicas em esportes de alto nível ou em atividades laboriais no cotidiano. A determinação das forças internas dos músculos e das articulações ainda é um problema não resolvido na biomecânica, mas seguramente constituem-se na base fundamental para a melhor compreensão de critérios para o controle de movimento (3).

Este estudo sobre o funcionamento físico de estruturas biológicas tem se baseado principalmente em medidas experimentais. Pela óbvia dificuldade metodológica de acessarmos o comportamento biomecânico de estruturas internas dos sistemas biológicos, a sua parametrização em termos de variáveis biomecânicas internas se torna extremamente dependente de medições externas ao organismo, ou seja, observadas exteriomente, ou por equações de estimação. Com este efeito, a Biomecânica é um ramo de grande interação com áreas diversas que se aplicam ao estudo do movimento, em especial, o do corpo humano, como a Educação Física, a Medicina, a Fisioterapia, a Engenharia, a Física, entre outras áreas.

Por se tratar de uma disciplina com alta dependência de resultados experimentais, é premente que a biomecânica apresente grande preocupação nos seus métodos de medição. Somente desta forma é possível buscar medidas e métodos mais acurados e precisos para modelagem do movimento humano. Os métodos utilizados pela biomecânica para abordar as diversas formas de movimento são cinemetria, dinamometria, antropometria e eletromiografia (4, 5, 6). Utilizando-se destes métodos, afinal, o movimento pode ser descrito e modelado matematicamente, permitindo a maior compreensão dos mecanismos internos reguladores e executores do movimento do corpo humano, como descrito na figura 1.

FIGURA 1. Áreas para complexa análise biomecânica do movimento humano segundo Baumann (6).

A CINEMETRIA consiste de um conjunto de métodos que busca medir os parâmetros cinemáticos do movimento, isto é, posição, orientação, velocidade e aceleração. O instrumento básico para medidas cinemáticas é o baseado em câmeras de vídeo que registram a imagem do movimento e então através de software específico calculam as variáveis cinemáticas de interesse. Relacionamos ainda outras técnicas e métodos para o processamento de grandezas cinemáticas, entre elas destacamos as técnicas de medição direta, utilizadas para: (a) medidas de tempo, utilizando-se de cronômetros para a base de tempo, (b) medidas de ângulos, utilizando-se de goniômetro para a determinação da posição de segmentos com origem em eixos articulares, (c) Medidas de aceleração, utilizando-se de acelerômetros que são transdutores designados a quantificar a quantidade de movimento pela posição de uma massa em deslocamento.

Ainda através da Fotografia, Cinematografia e Cronofotografia podemos registrar a imagem para processamento de variáveis cinemáticas. Todos estes procedimentos necessitam de lentes e outros instrumentos ópticos para garantir a qualidade da imagem, portanto requerem cuidados com a distância do objeto à lente e seu comprimento, assim como a regulagem da abertura do foco. Para a reconstrução de coordenadas do objeto a partir da imagem registrada necessitamos de modelos onde são necessários além das referências geométricas e posições relativas das partes do corpo em função do tempo, também precisamos das informações sobre as dimensões corporais que são obtidos através de dispositivos classificados nos modelos antropométricos (7):

Para o processamento da imagem utilizamo-nos de Câmeras, baseada em películas fotoquímicas ou fotoelétricas e que possuem ainda o recurso de registro de sequências de sinais eletrícos numa base de tempo conhecida além de armazenar o registro em fitas magnéticas, o que caracteriza a Videografia. Assim, genericamente podemos classificar os sistemas em: (a) Dispositivos convencionais com avaliação manual - sistemas de câmeras cinematográficas e fotográficas, onde após a revelação dos filmes, a avaliação é manual; (b) Dispositivos eletrônicos com avaliação manual - sistema de vídeo onde uma camada sensível à luz capta a imagem que é transformada em impulsos elétricos e suas coordenadas são armazenadas numa placa ou fita magnética; (c) Dispositivos eletrônicos com avaliação automática - sistema óptico-eletrônicos onde as coordenadas das imagens são indentificadas e digitalizadas automaticamente e consequente imediata obtenção das coordenadas desejadas. Os pontos cujas coordenadas são de interesse podem ser marcas ativas como fontes de luz ou passivas como refletores de luz (8).

Ainda sobre a reconstrução de imagens com o propósito de recuperar a imagem plana do filme em coordenadas espaciais, um dos métodos é o DLT (Direct Linear Transformation) (9), que não exige câmeras métricas (aquelas que possuem os parâmetros de orientação interna conhecidos). Parâmetros internos e externos podem ser recuperados analiticamente, ou seja, as coordenadas (x,y,z) determinam a projeção da câmera, 2 ângulos determinam a direção das câmeras, 1 ângulo determina a direção de 1 feixe de raios provenientes de 1 objeto no espaço. Duas câmeras focalizam estes pontos: mínimo de 6 pontos de referência com coordenadas espaciais conhecidas, não coplanares e devem envolver todo o espaço a ser ocupado pelo objeto. Usa-se portanto, um "sistema de referência espacial" ou calibrador, de dimensões conhecidas para realizar a calibragem das câmeras, ou seja, através de rotinas fotogramétricas pode-se corrigir as necessidades de reconstrução para a determinação das coordenadas espaciais. O método utiliza-se de 1 coeficientes, determinantes de orientações internas e externas para o sistema câmera-objeto, novas referências são obtidas a partir dos 6 pontos de referência (calibrador) cujas coordenadas (x,y,z) são conhecidas, logo são 12 equações, duas para cada ponto, referentes à orientação das 2 câmeras, e portanto teremos 2 coeficientes. Assim, utilizando-se software específico, estas coordenadas digitalizadas podem ser transformadas para coordenadas do espaço euclidiano real, corrigindo-se as distorções provocadas pela(s) câmera(s) ou a projeção planar do movimento, pelo método da transformação linear direta, DLT, cujas etapas estão metodologicamente descritas na figura 2.

FIGURA 2. Etapas para determinação de coordendas tridimensionais segundo o método DLT. Adaptado de Amadio (5).

Estas coordenadas reais podem ser agora utilizadas para o cálculo da velocidade e aceleração, o que é feito pela diferenciação numérica dos dados. A diferenciação de dados experimentais em biomecânica tem enfrentado grandes dificuldades devido ao ruído destes dados. A literatura científica tem apontado para o uso de rotinas matemáticas específicas para redução de ruídos, por exemplo através do uso da rotina matemática Spline quíntica (10).

A DINAMOMETRIA engloba todos os tipos de medidas de força (e pressão). As forças mensuráveis são as forças externas, transmitidas entre o corpo e o ambiente. De particular interesse são as forças de reação do solo transmitidas na fase de apoio em atividades quase-estáticas ou dinâmicas. Juntamente com a constante peso corporal, essas forças de reação do solo são, geralmente, a causa de qualquer alteração do movimento do centro de gravidade. O instrumento básico em dinamometria é a plataforma de força, que mede a força de reação do solo e o ponto de aplicação desta força.

Assim, através da dinamometria mede-se a ação deformadora da Força sobre os corpos através de um método direto onde se determinam as Forças externas as quais são prérequisitos necessários para o cálculo das Forças internas (força muscular, força ligamentar e forças articulares).

Por outro lado, a ANTROPOMETRIA se preocupa em determinar características e propriedades do aparelho locomotor como as dimensões das formas geométricas de segmentos, distribuição de massa, braços de alavanca, posições articulares, etc., definindo então, um modelo antropométrico, contendo parâmetros necessários para a construção de um modelo biomecânico da estrutura analisada. Algumas das variáveis que podem ser calculadas, como: (a) propriedades do biomaterial - resistência dos componentes do aparelho locomotor, elasticidade, deformação e limite de ruptura; (b) cinéticas - momento de inércia de segmentos corporais; c) centro de rotação articular, origem e inserção muscular, comprimento e área de secção transversa muscular, braços de alavanca da musculatura.

Densidade, distribuição de Massa corporal, propriedades inerciais, Centro de

Gravidade, Momento de Inércia, são características antropométricas onde a maioria dos dados são determinados a partir de estudos cadavéricos. Os Métodos analíticos são os mais utilizados, caracterizam-se por modelos do corpo baseados em dados antropométricos do indivíduo, portanto medida direta, in vivo. Assim, os métodos analítico-matemáticos como de HANAVAN (1) realizam reduções em função do modelo físico-matemático, bem como aproximações estatísticas que permitem interpretações dos dados de maneira relativamente precisa.

Finalmente, a ELETROMIOGRAFIA que caracteriza-se pelo registro das atividades elétricas associadas às contrações musculares. Diferentemente dos métodos acima mencionados, que determinam propriedades mecânicas, a eletromiografia indica o estímulo neural para o sistema muscular. Como um parâmetro de controle, a eletromiografia é muito importante para a modelagem do sistema dinâmico neuro-músculo-esquelético. O resultado básico é o padrão temporal dos diferentes grupos musculares sinérgicos ativos no movimento observado. Portanto, através da Eletromiografia determina-se de maneira direta a atividade muscular voluntária através do potencial de ação muscular. A inervação muscular transmite os potenciais cuja atividade elétrica média pode ser detectada por eletrodos colocados na superfície da pele sobreposta ao músculo, e daí observa-se o início e o fim da ação muscular em movimentos, posturas, ou seja, o padrão temporal dessa inervação/ativação. Esses sinais coletados podem ser influenciados pela velocidade de encurtamento e alongamento muscular, grau de tensão, fadiga, atividade reflexa, entre outros fatores. Depois destes sinais eletromiográficos serem amplificados, podem ser processados para comparação ou correlação com outros sinais eletrofisiológicos ou grandezas biomecânicas. Segundo WINTER (4), o motivo para se monitorar o potencial de ação muscular é poder relacioná-lo com algumas medidas da função muscular como tensão, força, estado de fadiga e conseqüentemente, o metabolismo muscular, recrutamento de elementos contráteis, entre outros parâmetros.

Considerações sobre Modelos na determinação de Forças Internas

O desenvolvimento de um modelo mecânico para a estrutura biológica do corpo humano ou de seus segmentos com o objetivo de determinar parâmetros internos desta estrutura, forças musculares por exemplo, em situação dinâmica ou estática é altamente complexo, face à intrincada natureza do fenômeno a ser modelado. Então, o modelo utilizado para a descrição deste fenômeno, que seria por demais complexo, é simplificado, podendo desta forma, comprometer a exatidão ou resolução de parâmetros da Mecânica (12). Segundo Chao (3), se assumirmos que os segmentos dos membros do corpo humano podem ser imaginados como pêndulos compostos com muitos graus de liberdade, e devido à geometria anatômica complexa e ao não total conhecimento da teoria de controle neuromuscular, o equacionamento e análise da atividade humana ainda é um desafio na biomecânica moderna. O desenvolvimento de modernas técnicas para quantificar o movimento humano e a computação tem capacitado análises e modelamentos mais completos. No entanto, em geral, a biomecânica ainda é uma ciência fenomenológica, restrita à descrição do movimento observado e forças envolvidas.

Embora o modelo mecânico em questão seja regido pelas mesmas leis físicas, a abordagem e considerações na biomecânica, tais como simplificações e condições de contorno, e a determinação dos parâmetros experimentais de entrada mencionados anteriormente, diferencia bastante a metodologia utilizada se comparada à utilizada em Ciências Exatas. A Figura 3 apresenta um modelo de segmento inferior para a determinação de forças internas a partir de dados da cinemática e da dinâmica conforme proposto por Baumann e Stucke (13).

Gostaríamos de discutir sobre dois pontos importantes que, seguramente, muito podem colaborar sobre decisões quanto aos métodos de medidas biomecânicas: sentido fundamental da medição e qualidades do processo de medição. Winter (4) destaca os seguintes critérios de avaliação dentro dos processos de medição em biomecânica: medida livre de efeito retroativo e precisão da medida. Na biomecânica a medição direta dos parâmetros de movimento descritos e analisados é muito limitada. Essa limitação é determinada pela estrutura biológica complexa do corpo humano, pela técnica dinâmica do movimento e pelas possibilidades técnicas dos aparelhos de medição. Por esses motivos, a grande maioria das determinações baseiam-se em modelos físico-matemáticos dos parâmetros de movimento utilizando medidas indiretas.

A formulação de modelos físico-matemáticos é atualmente uma das principais tarefas da biomecânica. Cada simulação do movimento é uma simplificação esquemática do movimento complexo. Os modelos biomecânicos da musculatura esquelética ainda representam um desafio para a biomecânica. Forças e momentos de inércia, assim como forças articulares, não podem ser medidas diretamente, o que dificulta enormemente a sua determinação. Os inúmeros músculos e tendões, que tomam parte em um movimento, dificultam ainda mais a solução do problema, porque assim temos um número maior de elementos desconhecidos em relação ao número de equaçðes. Uma diminuição deste problema poderia ser alcançada através de dados obtidos por eletromiografia ou com a ajuda de outros métodos de medição, diminuindo assim o número de elementos desconhecidos.

O desenvolvimento de modelos para a análise do movimento, particularmente da sobrecarga articular nos movimentos, requerem uma adaptação do sistema anatômico através de investigações comparativas com dependência às suas funções em relação ao segmento analisado. Análises segundo um modelo exigem um cuidadoso resumo dos dados e interpretação, por causa dos diversos fatores, que influenciam este rendimento. Por isso é preciso que modelos mais realísticos, em relação ao movimento humano, sejam desenvolvidos, para que as equações do movimento entrem em concordância com os modelos utilizados.

FIGURA 3: Modelo de segmento inferior para a determinação de forças internas a partir de dados da cinemática e da dinâmica. Adaptado de Baumann & Stucke (13).

A partir de modelo de cálculo operamos com os momentos de rotação nas articulações e com base nesta relação determinamos o momento da força muscular e também calculamos a força articular sendo que, o conceito genérico suporta base teórica para determinarmos que o “momento da força externa” é compensado através do “momento das forças internas”, logo podemos formular:

Momento das forças externas = Momento das forças internas

A origem destes momentos articulares baseia-se no princípio mecânico da conservação de movimento que nos permite formular:

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