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TENDÊNCIAS EM BIOMECÂNICA ORTOPÉDICA APLICADAS À REABILITAÇÃO
Rodrigo Lício Ortolan 1 , Fransérgio Leite da Cunha 1 , Daniela Cristina Leite de Carvalho 2 , Juracy Emanual Magalhães Franca 1 , Adriana S. L. Santa Maria 2 , Orivaldo L. Silva 2 , Alberto Cliquet Jr 1,2,
Escola de Engenharia de São Carlos – Universidade de São Paulo (^1) Departamento de Engenharia Elétrica (^2) Bioengenharia (EESC/FMRP/ IQSC-USP) Caixa Postal 359 13560-250 – São Carlos – SP
(^3) Faculdade de Ciências Médicas, Universidade Estadual de Campinas Departamento de Ortopedia e Traumatologia Caixa Postal 6111 13081-970 – Campinas – SP
Email: cliquet@sel.eesc.sc.usp.br
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à FAPESP, à CAPES e ao CNPq pelos recursos prestados ao desenvolvimento das pesquisas divulgadas neste artigo.
TENDÊNCIAS EM BIOMECÂNICA E BIOENGENHARIA APLICADAS À REABILITAÇÃO
RESUMO
Conceitos de Biomecânica são constantemente utilizados nas mais diversas áreas. Tais conceitos são entretanto
primordiais na área de Engenharia de Reabilitação. Este artigo pretende divulgar alguns estudos realizados e em andamento nas áreas de biomecânica e bioengenharia com o intuito de desenvolver novas técnicas para reabilitação de pacientes com algum tipo de deficiência motora. Estas deficiências podem ser de âmbito neurológico ou músculo-
esquelético. Dentre as deficiências causadas por problemas neurológicos, pode-se mencionar os casos oriundos de lesões medulares, como a paraplégica e a tetraplegia, e os causados por lesões crânio-encefálicas. No camp o das deficiências músculo-esqueléticas incluem-se amputações de membros inferiores ou superiores, doenças congênitas, e
algumas doenças degenerativas, como a osteoporose.
PALAVRAS-CHAVES: Biomecânica Ortopédica, Estimulação Elétrica Neuromuscular, Próteses para membros
superiores, Propriocepção Artificial, Modelo Biomecânico da Coluna Vertebral.
ABSTRACT
Biomechanics concepts are usually used in every different areas. Meanwhile these concepts are fundamental in Rehabilitation Engineering area. This paper intends to spread some studies achieved and in progress in biomechanics
and bioengineering areas with the purpose of development of new techniques to patient rehabilitation with some kind of motor deficiency. These deficiencies can be of neurologic or lean-muscle ambit. Among deficiencies caused by neurological problems can be mentioned the cases deriving from spinal cord injured, as paraplegia and tetraplegia, and
the caused by cranio-encephalic injures. The upper and lower limb amputation, the congenital and some degenerative diseases, like osteoporosis, are included in the lean-muscles deficiencies area.
KEY-WORDS: Orthopaedic Biomechanics, Neuromuscular Electrical Stimulation, Prosthetic Devices, Artificial Proprioception, Rehabilitation Engineering.
Como mencionado acima, algumas destas tecnologias para reabilitação serão listadas neste trabalho. O artigo está dividido em quatro tópicos: Introdução, Problemas neurológicos, Problemas Músculo-esqueléticos, Conclusões e
propostas para futuros trabalhos.
SEÇÃO II - PROBLEMAS NEUROLÓGICOS
Indivíduos com problemas neurológicos sofrem de diferentes graus de deficiência sensorial e motora, causando fortes impactos psicológicos. Na tentativa de reintegrar estes indivíduos à sociedade, são formados grupos multidisciplinares com objetivo de elaborar estratégias adequadas na reabilitação destas pessoas.
Dentre os trabalhos desenvolvidos em Engenharia de Reabilitação, relacionados com problemas neurológicos, serão mencionados aqueles referentes à Estimulação elétrica neuromuscular, Estimulação eletrotáctil e Ambiente de
comunicação para indivíduos com traumatismo crânio-encefálico.
Estimulação elétrica neuromuscular. A estimulação elétrica do músculo esquelético tem se mostrado útil para a
realização de movimentos de membros paralisados. Desta forma a Estimulação Elétrica Neuromuscular (EENM) passou a ser usada visando a reeducação muscular, prevenção de atrofias, redução temporária da espasticidade e redução das contraturas e edemas [1].
O sinal elétrico aplicado através de eletrodos de superfície induz linhas de campo dentro do membro, de forma que os íons de sódio, localizados externamente à membrana do nervo motor, sofram um influxo súbito para dentro do nervo,
gerando o potencial de ação. Esta perturbação se propaga então pelo axônio até a fenda sináptica e o músculo então é contraído [2].
Um dos primeiros relatos históricos de EENM data por volta de 1750, quando um violinista com hemiplegia devido a um Acidente Vascular Cerebral (ACV) teve seus músculos superiores paralisados, foi estimulado eletricamente com uma fonte estática e após dois anos com este tratamento voltou a tocar violino [3]. Em 1985, na cidade de Glasgow,
Escócia, foi desenvolvido um trabalho pioneiro, responsável pela primeira caminhada em laboratório, de um
paraplégico completo, utilizando a EENM nos membros inativos do paciente. Portanto além de ser útil no tratamento fisioterápico, a EENM pode ser adotada para restabelecer a marcha em pacientes com lesão medular [4].
A EENM é feita através de trens de pulsos retangulares de baixa frequência e alta amplitude proporcionando correntes eficazes de alguns miliampéres. A frequência do sinal é adotada de forma a oferecer um satisfatório índice de
tetanização do músculo, versus tempo para atingir a fadiga muscular. O aparelho é uma fonte de tensão controlável, pois nos casos de fontes de correntes, caso o eletrodo não esteja bem fixado à pele, temos o inconveniente de atingir altas densidades de corrente, podendo causar queimaduras na região, agravadas pelo fato da falta de sensação do lesado
medular. Além disso, tais sistemas são projetados para funcionar com baterias, evitando assim o risco de choque proveniente de descarga da rede [5].
Para a realização da marcha é necessário um conjunto de movimentos que realizam a extensão do tronco (músculos para-vertebrais), extensão e abdução de quadril (glúteos máximo e médio), extensão de joelho (quadríceps), flexão de joelho e extensão de quadril (ísquio-tibiais), flexão plantar de tornozelo e joelho (gastronêmio) e reflexo de retirada
(nervo fibular) - figura 2. Portanto 16 canais (8 em cada perna) são suficientes para restaurar a marcha em indivíduos com lesão medular em nível alto (cervical) [6].
Paraplégicos completos ao deambularem marcha, através de EENM, consomem cerca de 400% de oxigênio a mais durante a caminhada com relação ao nível basal, e têm um consumo energético de 349 J/(Kg.m). Enquanto que a marcha realizada por estes indivíduos através de EENM acompanhada de órteses mecânicas, compondo assim um
sistema híbrido, consomem substancialmente menos energia com relação ao sistema utilizando somente a EENM, dependendo da órtese o consumo energético pode chegar a 90 J/(Kg.m) [7, 8]. As forças de reação com o solo, do braço e da perna no sistema híbrido são consideravelmente menores que no sistema utilizando apenas a EENM [9, 10].
O paciente portador de lesão medular possui atrofia fisiológica decorrente de modificações de propriedades metabólicas e contráteis das fibras musculares, diminuindo a capacidade do músculo de realizar trabalho. Desta forma, os pacientes
entram em fadiga muscular precocemente, levando de 24 a 48 h para a musculatura sob EENM, retornar ao normal. Testes em pacientes foram realizados utilizando um canal de estimulação, recrutando todo o conjunto muscular do quadríceps, e estimulação multicanal sequencial, recrutando de forma multiplexada, os músculos: vasto lateral, vasto
medial e reto femoral que compõe o quadríceps. Foi observado que a resistência à fadiga do músculo paralisado pode
A EENM pode ser usada ainda, na reabilitação de tetraplégicos, para restaurar movimentos e funções dos membros superiores. Eletrodos de superfície foram utilizados para recrutar as unidades musculares e realizar as funções de garra
desejada – figura 3. As funções de garra propostas são a Preensão Palmar, Garra Composta e uma Composição da Garra de Força e extensão do dedo indicador [19]. A composição da garra de força e extensão do indicador pode ser utilizada para digitar teclas no teclado do computador, e a garra composta é utilizada para preensão lateral através do músculo
opositor do polegar, podendo assim o paciente segurar por exemplo um cartão de crédito [20].
Para comandar a contração dos músculos da mão foi desenvolvido um sistema de controle através da voz usando redes
neurais artificiais. A rede é responsável pelo reconhecimento de padrões da voz, identificando os fonemas /a/, /e/, e /i/, associando cada fonema a um tipo de garra. O sistema apresenta um índice de acerto de 70 % para vozes masculinas e 20% para vozes femininas, devido ao fato da rede ter sido treinada exclusivamente para vozes masculinas [21].
Tetraplégicos não têm sensação nos membros, e a sua mão pode efetuar uma força exagerada na preensão estimulada de objetos, podendo ocorrer danos aos objetos como amassar um copo descartável por exemplo. Para solucionar este
problema foi proposta uma luva instrumentalizada composta por uma luva de Lycra com sensores de força baseados em FSRs fixados nas regiões correspondentes as falanges distais do polegar, indicador e médio. O sinal dos FSRs foi filtrado digitalizado e visualizado graficamente através de um software em linguagem C, para preensão de objetos com
diferentes pesos [22 – 24]. A partir do estudo destes sinais pode-se então implementar um sistema de realimentação tornando o sistema em malha fechada de duas maneiras, uma delas é, depois de processado o sinal, um software de controle determina a intensidade da estimulação de acordo com os níveis medidos e desejados, outra forma de controlar
a estimulação é através de um processo de propriocepção eletrotátil onde o próprio indivíduo poderá saber e corrigir a força que sua mão está aplicando para segurar algum objeto.
Estimulação Eletrotáctil. A estimulação elétrica também pode ser utilizada para a realimentação sensorial, quando o indivíduo perde um, ou mais, dos sentidos primários (visão, audição, propriocepção, tato), que pode ser conseqüência de problemas neurológicos, ou músculo-esqueléticos [25].
Neste caso, vale à pena considerar que um indivíduo mediano possui cerca de 2 m^2 de pele [26], e na conseqüente vantagem da exploração da sensação táctil como um canal de entrada sensorial alternativo para a transmissão da
informação perdida. Além da disponibilidade de uma extensa área para a transmissão da informação, o uso da sensação
táctil apresenta diversas vantagens como : liberar os sentidos remanescentes para outras tarefas; normalmente não são prejudicados por estímulos ambientais rápidos e constantes; pode fornecer grandes quantidades de informações
compactadas na faixa de resposta espaço-temporal útil; a estimulação táctil pode ser realizada usando painéis leves e pequenos dispostos sob as roupas, evitando alterações cosméticas, rejeição por parte do usuário e preconceitos sociais [27 – 29].
Pode-se gerar sensações tácteis, seguras e confortáveis, através da aplicação de estímulos elétricos bem controlados na superfície da pele, sendo este processo denominado por estimulação eletrotáctil. Estudos demonstraram que sua
utilização pode ser otimizada (através da redução da quantidade de eletrodos, por exemplo) quando o sistema é desenvolvido para gerar o fenômeno Phi táctil [30]. Este fenômeno, permite a criação de uma série de figuras em movimento (de diferentes tamanhos e posições) sobre a pele usando apenas dois, ou três canais de estimulação elétrica.
Esta propriedade é particularmente importante porque a modulação espacial apresenta os melhores resultados [31].
O fenômeno Phi táctil ocorre quando dois estímulos são aplicados na pele simultaneamente e em locais adjacentes
gerando uma única sensação em alguma região entre os mesmos. Esta sensação é determinada pela distância entre os eletrodos, as amplitudes e ordens temporais dos sinais, e corresponde a uma imagem composta pela combinação destes. Por isso, normalmente é denominada por sensação fantasma. [26, 32].
A estimulação eletrotáctil tem sido utilizada para compensar a perda a visão [33, 34], audição [35, 36], e da propriocepção [30, 46]. Esta última em particular é fundamental para o desenvolvimento de próteses mais eficientes,
pois a propriocepção indica a posição e orientação dos membros do corpo, e o grau de contração muscular. Sendo que, os sensores relacionados a esta sensação, os proprioceptores, estão presentes, principalmente, nos músculos, articulações e tendões. Por exemplo, no desenvolvimento de próteses para membros inferiores usando EENM para
lesados medulares, como foi descrito na seção anterior, para possibilitar ao paciente saber quando o pé está em contato com o solo no processo de deambulação Castro e Cliquet [37] utilizaram uma palmilha com FSRs, e a estimulação eletrotáctil em seu ombro.
Ambiente de Comunicação para Indivíduos com Traumatismo Crânio-Encefálico. Em muitos casos indivíduos
com traumatismo crânio-encefálico têm a perda da mobilidade e sensibilidade de todo corpo, além da ausência de
SEÇÃO III - PROBLEMAS MUSCULO-ESQUELÉTICOS
Nesta seção são tratadas algumas das tendências de pesquisa nas áreas de biomecânica ortopédica, próteses para membros superiores e osteoporose, este ultimo um problema que pode ser gerado em pacientes lesados medulares pela
falta de movimentação. Alguns dos temas tratados na seção anterior, como a propriocepção artificial por exemplo, podem ser aplicados também em problemas músculo-esqueléticos. No exemplo citado, pode ser possível aplicar os conhecimentos obtidos e fornecer uma prótese para membros superiores com sensores artificiais de temperatura, usando
os conceitos listados na parte que trata a propriocepção artificial.
Estudos dos esforços atuantes na coluna vertebral. Um dos principais problemas na área de biomecânica que deve
ser levado em consideração é o que acontece na coluna vertebral. O levantamento impróprio de uma carga acarreta várias lesões e atinge um grande percentual da população. Assim, o índice de incapacidade e de morbidade por dor lombar é muito alto, levando a prejuízos incalculáveis e situações sócio-econômicas muito graves. Nos Estados Unidos
em 1990, foram gastos 192 milhões de dólares com medicamentos para dor lombar, sendo o custo total de tratamento estimado em mais de 50 bilhões de dólares ao ano [42].
Visando reverter este quadro, vários autores descreveram alguns modelos biomecânicos da coluna vertebral, onde forças de contato foram analisadas quando uma carga era levantada de modo impróprio [43, 44], forças estas que podem atingir algumas vezes o valor do próprio peso do indivíduo, dependendo da carga elevada [45]. A análise dessas forças,
proposta anteriormente por alguns autores [45, 46], considera a coluna como uma haste rígida, representando assim uma aproximação muito pobre para o sistema, uma vez que as diversas forças musculares envolvidas não são adequadamente analisadas e o movimento de retificação da coluna vertebral desprezado [46].
Uma das maneiras de contornar este problema é a elaboração de um modelo que seja mais próximo às condições reais que a coluna vertebral exige. Para a elaboração de um modelo mais apurado várias características mecânicas e
anatômicas devem ser consideradas, juntamente com um modelo matemático adequado. De acordo com o que foi visto, um novo modelo vem sendo desenvolvido, obtendo um cálculo mais preciso das forças que realmente atuam na coluna vertebral, propiciando uma melhor interpretação dos esforços, evitando traumas, problemas posturais e assim, fornecer
subsídios para sanar os problemas decorrentes de levantamentos de carga.
Próteses mioelétricas para membros superiores. Um outro tema sob estudo é a reabilitação, por meio de próteses inteligentes, em pacientes que tiveram seus membros superiores amputados ou nasceram com alguma mal formação congênita. As próteses usadas na recuperação destes casos podem ser vistas como robôs manipuladores [19].
Infelizmente, no caso de reabilitação, o problema de controle é mais sofisticado, pois geralmente controladores artificiais ou sistemas híbridos devem substituir o sistema de controle do corpo humano [19, 47].
A diferença entre um robô e uma prótese inteligente é que nesta, a interface homem/máquina deve ser melhor analisada, no caso, o sistema de controle. Ainda existe o problema de substituição dos sensores naturais perdidos e dos mecanismos de execução dos comandos, que também podem ser artificiais. Muitas vezes torna-se impossível recuperar
o modo natural de controle, sendo preciso desenvolver métodos alternativos aplicando novos tipos de sensores [48] e atuadores [49] para substituir os perdidos. Na pesquisa destes problemas encontra-se uma integração de diversas áreas, como a Medicina e as Engenharias Mecânica e Elétrica.
Um fator agravante no desenvolvimento de próteses para membros superiores que não pode ser descartado, é o aspecto psicológico do paciente [50]. Experiências mostram que uma prótese puramente estética [51] é preferida à uma
funcional, se esta for motivo de constrangimento ao paciente. Portanto, a prótese deve ser extremamente antropomórfica (figura 4), imitando a mão humana [52, 53], tanto no aspecto estético como nos movimentos que esta deva executar – foco desta pesquisa. A maioria das próteses para membros superiores atuais possui movimentos e formas muito
restritas, bem como um sistema de controle que requer um tempo muito grande de treinamento, fazendo com que o índice de rejeição se torne alto [50, 54].
Portanto, o principal objetivo é diminuir o índice de rejeição das próteses para membros superiores, facilitando seu processo de treinamento e controle, tornando-a mais antropomórfica. Uma nova abordagem que também poderá ser interessante para a área é fornecer à prótese movimentos síncronos com a outra mão, no caso de uma amputação
unilateral [55]. Este é também um grave problema no projeto das próteses para membros superiores, já que seu controle não é feito de forma natural. A difícil sincronização dos movimentos da prótese com a mão existente é também um fator preponderante para rejeição. Isso pode ser realizado ampliando os conhecimentos obtidos em trabalhos anteriores [19],
com o agarramento de objetos maiores do que as dimensões da mão e definindo os diversos tipos de movimentos
O colágeno é o principal componente ósseo responsável pela piezoeletricidade, podendo gerar sinais elétricos depois de
ter sofrido uma tensão mecânica, contribuindo para o reparo ósseo [62]. Quando ocorre deformação por compressão são gerados “potenciais de tensão produzido” (SGPs) negativos, e onde existe estiramento o SGPs são positivos [63]. Isto também é característica dos cristais piezoelétricos. Desta forma, a aplicação de ultra-som pulsátil promove a formação
de cargas elétricas na superfície celular, enquanto houver estímulo de polarização elétrica média. Esta polarização faz com que os potenciais de membrana dos osteoblastos se alterem permitindo a captação de nutrientes e um bombeamento de íons. As células atuam então, como um transdutor biológico, onde uma maior atividade mitótica da
célula é produzida pelo estímulo elétrico. Os osteoblastos são estimulados pelo potencial negativo, migrando para essas áreas e depositando aí maior quantidade de massa óssea, aumentando à espessura e a resistência dessa parte. Já os osteoclastos irão migrar para as regiões com o potencial positivo, atuando na reabsorção óssea local [64].
Devido a gravidade do quadro clínico, existem vários tratamentos objetivando prevenir ou melhorar o quadro de osteoporose , os quais baseiam-se em medicamentos, orientação alimentar, e exercícios físicos [65], no entanto, não há
estudos que analisam a eficiência do ultra-som de baixa freqüência, para casos de osteoporose já instalados. Desta forma, está sendo desenvolvido um trabalho experimental aplicando ultra-som de baixa freqüência em modelo animal osteopênico submetido à ovarectomia com o objetivo de avaliar às respostas a este tratamento. Espera-se, com este
estudo, que o tecido ósseo responda de forma a manter ou aumentar a quantidade de massa óssea de uma região específica, diminuindo as fraturas e as seqüelas que decorrem delas.
SEÇÃO IV – CONCLUSÕES
Conceitos de Biomecânica aplicados à reabilitação vêm permitindo o desenvolvimento de sistemas, órgãos artificiais e dispositivos ortopédicos e protéticos inteligentes, funcionais e estéticos, efetivamente contribuindo para a melhoria da qualidade de vida de deficientes físicos. As pesquisas apresentadas neste artigo mostram-se viáveis principalmente se
tais conceitos forem bem empregados, mostrando que a biomecânica pode intervir em campos onde diretamente pensava-se não alcançar. Portanto, o estudo e confecção de novas técnicas e equipamentos de medição e instrumentação, e a disseminação de centros de pesquisa voltados para a biomecânica são de grande valia para o
desenvolvimento de projetos na área de reabilitação.
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Figura 1. Classificação simplificada dos problemas de mobilidade para este artigo
Figura 2. Paraplégico realizando marcha através de EENM nos nervos fibular e femural. Figura 3. EENM usada na reabilitação de tetraplégicos para restaurar movimentos e funções dos membros superiores Figura 4. Desenho esquemático de uma prótese antropomórfica de mão.
