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DESENVOLVIMENTO DE UM MACROMODELO BIOMECÂNICO TRIDIMENSIONAL DURANTE TAREFAS DE LEVANTAMENTO
Produzido por
Claudia Rothmann
Sob a Orientação do professor: Jefferson Fagundes Loss
As pessoas estão sempre se movimentando, caminhando, correndo, agaichando, fazendo atividades físicas,
praticando esportes, trabalhando... Para conseguir executar estas tarefas, Existem mais de 140 articulações
que permitem que esta complexa estrutura chamada corpo humano movimente-se aliando a força proveniente
dos músculos com boa mobilidade e ainda mantenha-se em equilíbrio. Entretanto, há certos gestos que podem ser
perigosos, causando dores e possivelmente levando ao aparecimento de lesões nas estruturas corporais.
Mas como saber se estamos fazendo uma atividade realmente segura? Neste sentido, a biomecânica estuda
as ações das forças no corpo humano. As forças que atuam no corpo humano podem ser classificadas entre
internas e externas. Sendo as externas aquelas causadas por objetos que estejam em contato com o corpo
como um haltere de musculação, um prato que estejamos segurando, e até mesmo a água e o solo.
Já as forças internas ocorrem nas interações entre as estruturas internas corporais, tais como músculos,
ossos, cartilagens, vísceras, ligamentos, tendões, entre outros).
O conhecimento destas cargas internas permite criar padrões de eficiência e segurança para os gestos motores,
e a partir destes padrões é possível ter maior controle da sobrecarga nestas estruturas.
Existem dois métodos de determinação das cargas internas: Método direto, com a introdução de sensores
na estrutura corporal a ser estudada, o que acarreta alguns problemas éticos devido ao procedimento invasivo
que se faz necessário para a introdução dos sensores e a manutenção dos mesmos no local durante um gesto motor.
Em contra partida, existe o método indireto, que não utiliza de procedimentos invasivos. Através da análise
de dados experimentais e o uso de modelos biomecânicos e cálculos matemáticos feitos por softwares é possível
estimar as cargas internas durante determinadas atividades. O GRUPO DE INVESTIGAÇÃO DA MECÂNICA DO MOVIMENTO
vem desenvolvendo estudos com o objetivo de conhecer as cargas internas em diversos gestos motores como
o palmateio do nado sincronizado, a pedalada do ciclismo, e exercícios de pilates. A importância da manutenção
da saúde para uma boa funcionalidade motora, é ressaltada quando trata-se de tarefas de levantamento de peso
e seu potencial risco para as estruturas da coluna vertebral. Neste intuito foi desenvolvida a metodologia para cálculo
das forças e momentos internos impostos à coluna vertebral, durante a execução de atividades de vida diária como o
levantamento de peso. E este é o principal foco deste documentário: o Macromodelo Biomecânico Tridimensional: MM3D
E como o MM3D funciona? A seguir, explicarei o passo a passo desta determinação indireta das cargas na coluna vertebral.
O processo inicia quando o pesquisador define uma questão de pesquisa que envolva a determinação das cargas e
momentos internos impostos à coluna vertebral durante a execução de determinado movimento, como por exemplo,
algum exercício de musculação ou AVD. Com o gesto a ser analisado definido e as variáveis independentes determinadas,
o pesquisador então executa algumas etapas, para assim chegar aos resultados de Força Muscular e Força Articular
distribuídos em 3 pontos específicos da coluna vertebral. São eles: tronco superior que limita-se a altura do
disco vertebral entre (C7 – T1), o tronco médio que limita-se a altura do disco entre (T8 – T9) e tronco inferior
localizado até a altura do disco entre (L5 – S1).
Com o projeto definido, partimos para a coleta de dados:
Os dados a serem coletados são simplesmente imagens de vídeo da amostra executando o movimento, coletadas com diversas
câmeras acionadas simultaneamente.
Após a leitura e assinatura do termo de Consentimento Livre e esclarecido e da ambientação da amostra com os
movimentos e cargas selecionados para o estudo.
O pesquisador adere à pele do sujeito, sob determinadas estruturas anatômicas, diversas pequenas esferas reflexivas
que servirão como marcadores técnicos durante a posterior digitalização dos dados. Então, o sujeito é posicionado
na área de coleta, que é visível a todas as câmeras. Então é feita a coleta dos dados cinemáticos, ou seja, a gravação
dos vídeos do movimento estudado. Também é necessária a captura de vídeos do indivíduo na posição estática e do calibrador.
Cada arquivo de vídeo é importado para com um Software Dvideow nele, o pesquisador seleciona os marcadores técnicos e
faz o rastreamento destes pontos ao longo dos frames. Cada vídeo então, gera um arquivo que contem os dados de
localização bidimensional dos marcadores técnicos ao longo do tempo de execução do movimento. Este processo é denominado
Digitalização. Através do uso do calibrador, é possível unir as informações bidimensionais dos diversos vídeos simultâneos
e determinar a localização dos pontos anatômicos em três dimensões. O Software Dvideow usa uma série de triangulações
para chegar a estas coordenadas espaciais ao longo do tempo. Este processo é chamado de reconstrução 3D.
Após a conclusão desta etapa, os dados são importados para o software matlab. Neste, é possível realizar *** que
verificam se existe alguma incoerência na localização dos dados, como por exemplo, um salto abrupto na localização
de um ponto anatômico. Esta etapa de conferência garante a qualidade dos dados. Qualquer incoerência é facilmente corrigida
voltando-se às etapas anteriores de Digitalização e Reconstrução. Com os dados conferidos O próximo passo é
a filtragem dos dados, para remover ruídos no sinal de posição dos pontos anatômicos.
Com estas etapas concluídas, o processamentos dos dados de entrada do MM3D está pronto. Vamos então ao Macromodelo:
Os dados de entrada do macromodelo são: o arquivo filtrado da tomada estática do sujeito, o arquivo filtrado do
sujeito executando o gesto analisado a *** corporal do sujeito e a *** da carga externa. Com estes dados e
dados antropométricos da literatura, o MM3D calcula através da dinâmica inversa as forças e momentos articulares e
musculares em três pontos da coluna: Tudo isso, ao longo do tempo de execução do movimento estudado.
Mas perai, o que é a dinâmica inversa? como isso pode estimar as cargas internas?
O esquema simplificado a seguir facilita o entendimento: o Macromodelo utiliza a equação de newton-euler Força é
igual à *** vezes a aceleração da seguinte forma: Com os dados espaciais ao longo do tempo temos a aceleração
dos segmentos corporais e as suas massas e centros de *** são obtidas através de dados da literatura. E assim,
usando a dinâmica inversa ao cálculo padrão, obtém-se os valores de força e, consequentemente, de torque, desejados.
Com os dados de FM e FA ao longo dos frames, é possível analisar os dados com diferentes enfoques, por exemplo:
estudar o comportamento das forças ao longo de varias repetições, como podemos ver no gráfico. Ele mostra
a força muscular em Newtons, nos 3 niveis da coluna vertebral, durante o exercício stiff, ao longo
das 3 repetições analisadas. Percebe-se que a força muscular no tronco inferior chega próximo a 8mil newtons
quando o indivíduo está totalmente fletido ao passo que no tronco superior, a força muscular varia entre
2 a 3 mil newtons durante toda a série.
Também é possível o estudo de forças durante uma repetição média, como no gráfico a seguir. Que mostra os
valores de força muscular apenas no tronco médio, com diferentes cargas. É possível notar que quanto maior
a carga do exercício, uma força muscular maior é necessária para executar o exercício stiff, sendo a carga de
75%RM responsável por proporcionar FM maior que 4mil newtons enquanto que quando executado o movimento
com 25% 1RM, os valores de força não ultrapassam 3mil newtons.
Outra forma interessante de analisar os dados de saída do modelo é através de normalizações. No exemplo a seguir,
podemos ver quantas vezes a força articular imposta ao tronco médio é maior que a carga externa empregada no exercício.
Nota-se que a carga de 25%1RM chega a ser 12 vezes menor que a força interna imposta nas articulações do Tronco Médio.
A partir dos resultados de FM e FA, nos três níveis da coluna, obtidos através do método apresentado o pesquisador
consegue então fazer as analises pertinentes ao seu estudo sobre o gesto investigado, contribuindo assim para a evolução
das pesquisas na área do Conhecimento do Movimento Humano.