FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO
Mestrado em Engenharia Biomédica
Relatório de Trabalhos Práticos
Avaliação e Certificação de Dispositivos Protéticos e
Ortéticos para Membro Inferior
Judite Regina Alves da Silva
Up201306964
Orientador: Prof. Dr. João Manuel R. S. Tavares
Porto, 13 de Junho de 2014
1
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer ao meu orientador Professor Doutor João Manuel R. S.
Tavares, pela sua disponibilidade, apoio e acompanhamento no desenvolvimento deste
trabalho, bem como nas revisões feitas ao mesmo e ainda todas as críticas construtivas
que ajudaram ao seu melhoramento.
2
RESUMO
A marcha Humana é um conjunto de movimentos corporais que se repetem a
cada passo, segundo um padrão característico determinado pelo deslocamento
sincronizado das partes do corpo. O que aparentemente parece um movimento
descomplicado e realizado inconscientemente, é na verdade bastante complexo exigindo
a coordenação dos membros do corpo, equilíbrio do centro de massa do corpo,
contração dos músculos, entre outros aspetos.
A análise da marcha, através da análise de sinais eletromiográficos e de dados
captados por câmaras, permite a quantificação de múltiplas variáveis que caracterizam a
locomoção humana, possibilitando a avaliação do padrão de marcha de um indivíduo.
O conhecimento proporcionado por esta análise concede características
geométricas, físicas e comportamentais do corpo humano tornado possível a distinção
entre marcha normal e patológica, bem como determinar limitações funcionais e
incapacidades associadas as mais diversificadas doenças.
No entanto, inevitavelmente acidentes e doenças acontecem, muitos dos quais
alteram o padrão normal da marcha humana. Indivíduos com amputação de membros
inferiores têm geralmente danos consideráveis na capacidade de andar, incluindo o
aumento do risco de queda. Compreender os aspetos biomecânicos da marcha destes
pacientes é pois, indispensável para melhorar a sua função de marcha e a sua qualidade
de vida.
A evolução tecnológica das Ortóteses e Próteses tem investido no
desenvolvimento das suas pesquisas em diversas áreas, nomeadamente na robótica e na
biomecânica, a fim de desenvolver “novas gerações” de membros artificiais, que
auxiliem ou recuperem a função de um membro na sua marcha.
O software OpenSim, é uma plataforma que permite construir e/ou utilizar
ferramentas que auxiliem na descoberta dos princípios que regem o movimento
humano, a analisar as causas de anormalidades da marcha, os efeitos de vários
tratamentos, bem como projetar melhores tratamentos para portadores de deficiências
físicas.
Palavras-chaves: Ciclo de marcha, OpenSim, Ortóteses, Próteses.
3
ÍNDICE
PÁG.
CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO -----------------------------------------------------------------------8
1.1 MOTIVAÇÃO -----------------------------------------------------------------------8
1.2 OBJETIVOS -------------------------------------------------------------------------9
1.3 ORGANIZAÇÃO -------------------------------------------------------------------9
CAPÍTULO 2: MARCHA HUMANA -------------------------------------------------------------10
2.1 CICLO DE MARCHA “NORMAL” -------------------------------------------10
2.2 ANÁLISE DA MARCHA HUMANA -----------------------------------------12
2.3 MARCHA ANORMAL ----------------------------------------------------------13
CAPÍTULO 3: AMPUTAÇÕES ---------------------------------------------------------------------15
3.1 NÍVEIS DE AMPUTAÇÕES OU DESARTCULAÇÃO --------------------15
3.2 CAUSAS DE AMPUTAÇÃO ---------------------------------------------------16
3.3 CICLO
DE
MARCHA
DE
AMPUTADOS
EM
MEMBROS
INFERIORES-----------------------------------------------------------------------17
CAPÍTULO 4: PRÓTESES E ÓRTOTESES ----------------------------------------------------19
4.1 ÓRTOTESES -----------------------------------------------------------------------19
4.1.1 Ortóteses para membros inferiores -----------------------------------20
4.1.2 Doenças do pé e tornozelo que conduzem ao uso de ortóteses---23
4.2 PRÓTESES -------------------------------------------------------------------------24
4.2.1 Componentes da prótese -----------------------------------------------24
CAPÍTULO 5: TRABALHO EXPERIMENTAL -----------------------------------------------28
5.1 OJETIVOS --------------------------------------------------------------------------28
5.2 OPENSIM ---------------------------------------------------------------------------28
5.3 PÉ PENDENTE --------------------------------------------------------------------29
5.3.1 Análise da marcha normal --------------------------------------------32
5.3.2 Análise do ângulo do tornozelo na marcha pé pendente ----40
CAPÍTULO 6: CONCLUSÃO/DISCUSSÃO ----------------------------------------------------43
CAPÍTULO 7: PERSPETIVAS FUTURAS -----------------------------------------------------44
CAPÍTULO 8: BIBLIOGRAFIA -------------------------------------------------------------------45
4
ÍNDICE DAS FIGURAS
PÁG.
CAPÍTULO 2
Figura 1: Ciclo da marcha humana normal [1] ----------------------------------------------------10
Figura 2: Fases do ciclo de marcha normal [32] --------------------------------------------------11
Figura 3: Desenvolvimento da marcha humana [33] ---------------------------------------------12
CAPÍTULO 3
Figura 4: Níveis de amputação do pé [11] ---------------------------------------------------------16
Figura 5: Níveis de amputação do membro inferior [12] ----------------------------------------16
CAPÍTULO 4
Figura 6: Exemplos de ortóteses para o membro inferior. a) Imobilizador de joelho posição
funcional, b) Imobilizador do tornozelo, c) Joelheira articulada elástica, d) Estabilizador de
tornozelo, e) Sandália para gesso, f) Tira sub-Patelar em tubo, g) Dennis-Brownne: para
manter membros inferiores em rotação externa ou interna, h) Geno Valgo e/ou Geno Varo:
para correção do valgismo e/ou varismo, i) Tutor: tutor para fratura de tíbia/fíbula, j)
Trilateral: para tratamento de Legg-Perthes, k) Tutor longo unilateral ou bilateral: controlo
do quadril sem controlo do joelho, l) Ortótese moldada tornozelo-pé, m) Palmilhas de
Silicone Sob Medida, n) Mola de Codvila: para pés caídos, pode ser usado com palmilha
acoplada ou pregador para fixação no calçado, o) Ortóteses tíbio társicas flexíveis para pés
caídos , p) Abdução do quadril Atlanta Brace, q) Suspensório de pavlic . Retirado de:
Ortóteses para o membro inferior [19] [20] -------------------------------------------------------22
Figura 7: (a) Ortótese passiva de reação ao solo [18], (b) Ortótese ativa com atuação no
joelho [18] ----------------------------------------------------------------------------------------------23
Figura 8: Tipos de prótese. (a) Prótese exoesquelética em madeira [15], (b) Prótese
endoesquelética para amputação acima do joelho [15] ------------------------------------------25
Figuras 9: Constituintes da prótese [15] -----------------------------------------------------------26
CAPÍTULO 5
Figura 10: Nervo peroneal [29] ---------------------------------------------------------------------31
Figura 11 : Músculos anteriores da perna [31] ----------------------------------------------------31
5
Figura 12: Dorsiflexão do tornozelo [33] ----------------------------------------------------------32
Figura 13: Ilustração representativa para carregar o modelo - “gait2392_simbody.osim. -32
Figura 14: Modelo - “gait2392_simbody.osim. --------------------------------------------------33
Figura 15: Dimensionamento do modelo - “gait2392_simbody.osim. ------------------------34
Figura 16: Dimensionamento do modelo - “gait2392_simbody.osim. ------------------------36
Figura 17: Dimensionamento do modelo - “gait2392_simbody.osim, sem a opção “preview
static pose” selecionada ------------------------------------------------------------------------------36
Figura 18: Dimensionamento do modelo - “gait2392_simbody.osim, com a opção
“preview static pose” selecionada ------------------------------------------------------------------37
Figura 19: Representação da janela “Scale factors”----------------------------------------------38
Figura 20: Ilustração representativa dos passos de como carregar o modelo “normal.mot”.
a) indicação de como carregar o modelo, b) escolha do modelo, c) apresentação do modelo
escolhido -----------------------------------------------------------------------------------------------39
Figura 21: Gráfico Do Padrão normal da Marcha Humana, tempo versus função dos
membros do corpo ------------------------------------------------------------------------------------40
Figura 22: Gráfico do Padrão normal da Marcha Humana, tempo versus função ângulo do
tornozelo -----------------------------------------------------------------------------------------------40
Figura 23: Gráfico do Padrão normal da Marcha Humana, tempo versus músculos
responsáveis pela dorsiflexão do tornozelo --------------------------------------------------------41
Figura 24: Gráfico do tempo versus função ângulo do tornozelo ------------------------------41
Figura 25: Gráfico do tempo versus músculos responsáveis pela dorsiflexão do
tornozelo,para simular a doença pé pendente- foot drop ----------------------------------------42
6
LISTA DAS TABELAS
CAPÍTULO 5
Tabela 1: Constituição dos músculos anteriores da perna [30] -----------------------------31
7
CAPÍTULO1: INTRODUÇÃO
A marcha humana representa o principal meio mecânico de locomoção do ser
humano, o qual permite a translação do homem no espaço. O ciclo de marcha é dividido
em duas fases, fase de apoio e fase de balanço. A fase de apoio é o tempo em que o pé
está em contacto com o chão e corresponde a aproximadamente 60% do ciclo da
marcha. A fase de balanço corresponde ao tempo em que o pé está no ar e corresponde
aos restantes 40% do ciclo de marcha [1].
O ser humano apresenta um determinado padrão de marcha, o qual é adquirido
na infância. Com a prática o sistema sensitivo motor gera automaticamente um conjunto
repetido de comandos que permitem à pessoa caminhar sem esforço consciente. A
análise desse movimento permite a quantificação de múltiplas variáveis, possibilitando
a avaliação do padrão de marcha de um indivíduo.
O conhecimento proporcionado por esta análise torna possível a distinção entre
marcha normal e patológica, a determinação de limitações funcionais e incapacidades
associadas as mais diversificadas doenças, bem como projetar dispositivos médicos,
como próteses e ortóteses que substituam ou auxiliem a função perdida ou menos
desenvolvida de um membro.
Estes dispositivos começaram por existir com o intuito de tratar pequenas
deformidades e problemas físicos dos soldados feridos em guerras. Hoje em dia, estão
associados a fraturas, deformidades congénitas ou acidentes, à recuperação ou redução
de lesões, a deformidades provenientes de doenças, ao tratamento pós-cirúrgico e
também no auxílio de membros com mobilidade reduzida ou nula.
1.1 MOTIVAÇÃO
Cada vez mais se verifica um incremento da taxa de envelhecimento da
população e diminuição da capacidade de locomoção, bem como doenças ou acidentes
que levam a um consequente aumento do uso de dispositivos médicos, como próteses e
ortóteses que substituam ou auxiliem a função perdida de um membro. Como tal, é
necessário melhorar os dispositivos médicos existentes, em termos de usuabilidade,
performance e acessibilidade, no sentido de proporcionar uma maior qualidade de vida
e bem-estar.
8
1.2 OBJETIVOS
Os objetivos primordiais na realização deste trabalho foram realizar um estudo
aprofundado essencialmente sobre:

O ciclo de marcha normal, de forma a compreender quais as fases que o
constituem, o que acontece em cada fase e de como este é alterado quando acorrem
amputações;

Prótese e ortóteses para os membros inferiores;

OpenSim, um software que permite fazer simulações de patologias que
alteram o ciclo de marcha.
1.3 ORGANIZAÇÃO
Este trabalho encontra-se dividido essencialmente em duas partes desenvolvidas
ao longo do semestre, que podem ser subdivididas em vários capítulos. O capítulo 1 é
referente à introdução do tema do trabalho, bem como à motivação e aos objetivos que
se pretendem alcançar durante este trabalho.
Na primeira fase um pouco mais teórica, realizou-se uma pesquisa na literatura
de um conjunto de conceitos os quais são mencionados no capítulo 2, 3 e 4.
Nomeadamente o que é a marcha humana, o ciclo de marcha, as fases que o compõe, as
doenças que levam a padrões de marcha alterados, bem como sobre ortóteses,
amputações e próteses do membro inferior, as diferenças entre próteses e ortóteses, os
tipos existentes, as patologias associadas e que fazem com que estas sejam usadas.
Na segunda parte deste relatório, para uma melhor consolidação dos conceitos
abordados nos capítulos mencionados e de modo a conhecer e entender melhor as
potencialidades, o funcionamento, a organização e as limitações do OpenSim, simulouse uma patologia bastante recorrente - pé pendente, no qual se analisaram os músculos
afetados por esta doença, as consequentes alterações na marcha, bem como de que
forma o ângulo do tornozelo de um indivíduo é afetado por esta patologia
comparativamente a um indivíduo com um padrão de marcha normal, esta componente
prática está descrita no capítulo 5.
O capítulo 6, 7 e 8 são referentes respetivamente à conclusão, perspetivas futuras
e as referências bibliográficas consultadas na realização deste trabalho.
9
CAPÍTULO 2: MARCHA HUMANA
A marcha humana é caracterizada por uma sequência de diversos eventos
rápidos e complexos, sendo a sua observação clínica, particularmente a identificação de
alterações de acontecimentos e a observação do seu grau de afastamento do normal, tão
importante [1].
2.1 CICLO DE MARCHA “NORMAL”
O ciclo da marcha “normal” compreende um intervalo ou uma sucessão de
movimentos que ocorrem em cada passada - espaço entre o contato inicial do membro
de referência no solo até ao novo contato desse mesmo membro no solo, sendo
composto por duas fases: a fase de apoio e a fase de balanço, as quais por sua vez,
podem ainda ser subdivididas e analisadas em diversos momentos [2]. Começa com o
primeiro contato do calcanhar do pé direito com o solo e termina quando ocorre o novo
contato do calcanhar do pé direito com o solo, tendo a duração aproximada de um
segundo [3].
Numa marcha normal, a fase de apoio, na qual o pé está em contato com a
superfície de apoio, é maior do que a fase de balanço, correspondendo a cerca de 60%
do ciclo de marcha. Na fase de balanço o pé não está em contato com a superfície de
apoio, terminando no momento em que o calcanhar contata de novo com o solo.
Durante esta fase, o membro contra lateral que não está em contato com a superfície de
apoio permite que o membro inferior se mova para a frente, levando ao avanço da perna
[4]. A fase de apoio é dividida em quatro componentes e a fase de balanço é dividia em
três componentes, como se pode observar na Figura 1 [2].
Figura 1: Ciclo de marcha humana normal [1].
A fase de apoio pode ser subdividida em duplo apoio (apoio duplo inicial e
apoio duplo final) e apoio simples. Na subfase de apoio duplo ambos os pés se
encontram em contato com o solo, sendo que a uma velocidade de marcha considerada
10
normal corresponde a cerca de 10% do ciclo de marcha para cada membro inferior. A
sua duração tende a diminuir à medida que a velocidade de marcha aumenta,
desaparecendo totalmente na corrida. A subfase de apoio simples representa cerca de
40% do tempo do ciclo completo de marcha. Neste período, ocorre a diminuição brusca
da carga do membro apoiado e sua preparação para a fase de balanço [2]. Assim, na fase
de apoio tem-se: 1) Contacto inicial, exato momento em que o pé toca no solo; 2)
Resposta à carga, prolonga-se até ao desprendimento do pé oposto do solo; 3) Apoio
médio, tem início com a saída do pé contra lateral do solo e continua até que o peso
corporal esteja exatamente sobre a região anterior do pé apoiado; 4) Apoio final, tem
início com a elevação do calcanhar do pé apoiado e estende-se até ao contato inicial do
pé oposto; 5) Pré-balanço, que se inicia com o contato inicial do pé oposto e se estende
até ao desprendimento do pé apoiado.
A fase de balanço corresponde a 40% do tempo total do ciclo de marcha, e pode
ser subdividida em: 1) balanço inicial ou aceleração, 2) fase de balanço médio, 3)
balanço final ou desaceleração. A subfase de balanço inicial ocorre no momento em que
o apoio perde o contato com o solo e o membro inferior é acelerado no sentido do
movimento através da flexão das articulações da anca e joelho acompanhadas por uma
dorsiflexão da articulação do tornozelo. A subfase fase de balanço médio ocorre no
momento em que o membro inferior em aceleração se encontra alinhado com o membro
inferior em apoio. A subfase de balanço final ou desaceleração ocorre aquando do
momento de desaceleração do membro inferior, preparando-o para o contacto com o
solo [2] [5].
% do ciclo
de marcha
0%
10%
30%
50%
60%
73%
87%
100%
Figura 2: Fases do ciclo de marcha normal [32].
11
2.2 ANÁLISE DA MARCHA HUMANA
A análise da marcha é a medição quantitativa e avaliação da locomoção humana
e inclui tanto o caminhar como o correr.
Em biomecânica, atletas e treinadores usam técnicas de análise de movimento
para investigar maneiras de melhorar o desempenho, evitando lesões, por exemplo [6].
Para o desenvolvimento de um dispositivo como uma prótese ou ortótese para o
membro inferior é essencial abordar algumas questões para além dos conhecimentos dos
movimentos realizados pelo membro, como por exemplo estudar a marcha humana.
Assim através desta análise é possível perceber em que fases da marcha o esforço é feito
na ortótese ou na prótese e onde é maior ou menor, podendo entre outros aspetos
adequar-se a forma do dispositivo a estas forças exercidas, ou até mesmo alterar-se o
tipo de material destes dispositivos médicos, para que estes se adequem aos esforços
requeridos.
Análise da marcha, não só em termos da utilização da superfície plantar, mas
principalmente, na questão das zonas de suporte utilizadas durante a mesma pode ser
vista na Figura 3.
Figura 3- Desenvolvimento da marcha humana [33].
Para o desenvolvimento de uma boa prótese ou ortótese, que auxilie e garanta
um padrão de marcha “normal”, é igualmente importante observar em que fases do
caminhar se exercem maiores forças no solo e qual a percentagem do peso corporal
aplicada nesse momento. Normalmente, a fase da marcha em que mais percentagem do
peso do corpo é aplicada nos membros inferiores, é na fase do pico de desaceleração e
na fase do pico de aceleração da marcha [33].
12
2.3 MARCHA ANORMAL
Padrões de marcha fora do normal consistem em padrões incomuns e
incontroláveis que geralmente surgem em função de doenças ou lesões nas pernas, pés,
cérebro, espinal medula ou ouvido interno [6].
O exame da marcha anormal deve ser realizado por um especialista na área e
deve ser feito pedindo ao paciente para que ele caminhe, inicialmente se afastando e
depois se aproximando do examinador, que deve ter uma visão do plano frontal do
paciente. A marcha deve ser executada quantas vezes forem necessárias, com o paciente
de olhos abertos e fechados [1].
Disfunção do tendão tibial posterior pode resultar numa deformidade patológica
do pé chato patológica, e se não for adequadamente tratada através de medidas
conservadoras (repouso, reabilitação e/ou ortótese), a intervenção cirúrgica é necessária
para corrigir a deformidade.
O desenvolvimento da análise da marcha quantitativa contribui para a avaliação
de deficiências músculo-esqueléticas e neurológicas associadas aos membros inferiores,
e tem sido particularmente útil na avaliação de inúmeras anomalias pediátricas.
Análise de movimento quantificada em 3D do pé e tornozelo durante a
deambulação fornece um meio útil de avaliar a patologia do paciente no pré-operatório
e avaliação da eficácia da intervenção no pós-operatório.
O pé é o segmento final da cadeia locomotora, fornecendo suporte para o corpo
através da distribuição de cargas gravitacionais e inerciais. Anormalidades do pé e
tornozelo podem causar dor e carregamento irregular nas partes mais proximais do
corpo. Os métodos atuais de análise do pé e tornozelo incluem uma combinação de
exame físico, observação e radiografias. Modelos mais descritivos exigem
reconhecimento e definição dos principais segmentos e articulações.
Para melhor descrever os padrões de movimento intersegmentares do pé durante
a marcha, um sistema de análise deve captar com precisão os dados multisegmentar
durante tanto na fase de balanço como na fase de apoio.
O modelo tradicional de análise do pé utiliza dois marcadores reais (um no dorso
do antepé tradicionalmente entre o segundo e terceiro metatársicos e um na parte
traseira do calcâneo) e um marcador virtual (centro da articulação do tornozelo).
Contudo, este conjunto de marcadores não pode ser usado para determinar orientações
de pronação - supinação do pé, em pacientes com pés pequenos ou de baixo arco, pois
13
os três marcadores podem tornar-se colineares. Outro conjunto de marcadores
tradicionais utiliza três marcadores no antepé [7].
Análise da marcha clínica é assim uma ferramenta de avaliação que permite ao
médico determinar a extensão em que a marcha de um indivíduo tem sido afetada por
uma doença já diagnosticada.
14
CAPÍTULO 3: AMPUTAÇÕES
Considera-se a amputação o procedimento cirúrgico mais antigo, aplicado
quando as outras opções clinicas já foram abordadas e esta é a melhor opção para o
paciente. Pode ser definida como a remoção, geralmente, cirúrgica, total ou parcial de
um membro. A amputação deve ser interpretada como o princípio de um grande
trabalho de recuperação funcional, psíquico e social, com o objetivo de manter e/ou
devolver a dignidade do paciente [8].
3.1NÍVEIS DA AMPUTAÇÃO OU DESARTICULAÇÃO
Há muitos fatores que determinam o tamanho do membro a ser amputado.
Geralmente, quanto mais longo for o comprimento do coto e mais articulações forem
mantidas inalteradas, maiores são as facilidades aquando da protetização [9].
Ao nível do membro inferior podem ser considerados os seguintes níveis de
amputação:
- Amputação total ou parcial do pé, dependendo das várias situações clínicas tem-se:
a) Amputação dos dedos do pé;
b) Amputação transmetatársica do pé: remoção de todos os dedos do pé e parte
dos metatarsos (3º, 4º, 5º metatarso são retirados).
c) Amputação transtársica: tipicamente antes considerava-se a amputação de
Lisfranc ou metatarsotársica, amputação de Choupart ou mediotársica e amputação a
Syme, figura 4.
- Desarticulação do tornozelo: com preservação de um retalho do calcanhar, para
permitir a sustentação de peso na extremidade do coto.
- Amputação transtibial: é uma amputação abaixo do joelho, entre a articulação do
tornozelo e a articulação do joelho. Normalmente, o apoio da prótese é dado no tendão
infrapatelar. Este nível pode ser classificado de três maneiras diferentes em relação aos
tamanhos.
- Desarticulação do joelho: é uma amputação onde se retira toda a parte da articulação
do joelho para baixo (Tíbia, Fíbula, ossos do pé), a rótula pode ser preservada ou não.
- Amputação transfemoral: é uma amputação acima do joelho, entre a articulação do
joelho e a articulação do quadril. O apoio da prótese é dado no Ísquio. Este nível pode
ser classificado de três maneiras diferentes em relação aos tamanhos.
15
- Desarticulação da anca (Hemipelvectomia): é uma amputação onde se retira toda a
perna, figura 5 [10] [11].
Figura 4: Níveis de amputação do pé [11].
Figura 5: Níveis de amputação do membro inferior [12].
3.2 CAUSAS DE AMPUTAÇÃO
Quanto às causas da amputação pode-se distinguir entre causas de natureza
Congénita e de natureza Adquiridas. Alguns autores mencionam que as amputações
adquiridas são por sua vez classificadas como doença vascular, como as
16
arterioscleroses, tromboses ou diabetes, infeção aguda, infeção crónica, neoplasia
maligna, traumatismo [11].
Em crianças a maioria das amputações são congénitas, em adultos a maior
percentagem está associada a traumas diretos ou acidente e infeções cronicas [12].
3.3 CICLO DE MARCHA DE AMPUTADOS EM MEMBROS INFERIORES
As amputações de membros em pacientes “vasculares” em particular as
transtibiais e transfemorais estão associadas a percentagens significativas de
mortalidade (6% a 17%), o que é um indicativo da sua importância. Por isso é que é tão
importante o cuidado pré-operatório, peri-operatório e pós-operatório.
Os parâmetros a ter em conta na cicatrização adequada de um coto de amputação
são muitos, entre os quais um planeamento cauteloso, cuidadoso e conhecimento
técnico-anatômico, visando uma reabilitação adequada, além de todos os cuidados que
se deve ter no procedimento cirúrgico e na reabilitação. Dados estatísticos apontam que
riscos de amputação contralateral e óbito em 5 anos atingem até 50%.
Aproximadamente 80% das amputações de membros inferiores são realizadas
em pacientes com doença vascular periférica e/ou diabetes [13].
Após o paciente ter sido submetido à amputação das extremidades inferiores,
este tem de escolher se prefere andar com ou sem prótese. Contudo, uma prótese bem
apropriada pode resultar numa marcha satisfatória.
A qualidade da marcha de amputados tem melhorado com os avanços
tecnológicos, cirúrgicos e de reabilitação, embora haja na maior parte dos casos e
dependendo da faixa etária dificuldades iniciais [13].
A amputação não resulta apenas em perda física, mas também em perda de todo
um mecanismo integrado entre tronco e membros responsável pelo funcionamento
equilibrado do sistema locomotor. Além de todo o processo psicológico de
compreensão e de aceitação, por isso a escolha adequada da prótese é uma tarefa
multidisciplinar constituída por uma vasta equipa de profissionais ser tão importante. A
amputação do membro inferior leva a perda do controlo neural aferente e eferente. As
próteses são aplicadas com o objetivo de compensar esta perda funcional e permitir uma
função adequada de marcha com baixo custo energético. As transmissões de forças e
movimentos são realizadas através de encaixes protéticos os quais também são
responsáveis pela fixação do sistema mecânico ao membro residual, específicos para
17
diferentes níveis de amputações. Os sistemas de forças dinâmicas que atuam no
amputado durante o uso da prótese estão relacionados com o tipo de cartucho, com o
alinhamento da prótese e com o tipo de componentes utilizados [14] [15].
A dificuldade na marcha dos amputados deve-se à falta de sincronia de atividade
muscular que não recebe a informação propriocetiva adequada.
As causas que podem alterar e serem responsáveis pelos desvios na marcha dos
amputados podem ser devido a causas relacionadas quer com deficiências do próprio
amputado, como por exemplo fraqueza muscular, contratura articular ou presença de
hipersensibilidade por neuromas, quer por problemas protéticos, como alinhamento,
encaixe mal adaptado ou escolha imprópria de componentes. Estes desvios podem ser
observados em todas as fases da marcha [14].
As pessoas com amputação de membros inferiores têm geralmente danos
consideráveis na capacidade de andar, incluindo o aumento do risco de queda.
Compreender os aspetos biomecânicos da marcha destes pacientes é indispensável para
melhorar a sua função de marcha e a sua qualidade de vida. Estudos realizados com
pacientes com amputação mostra que estes apresentam maior variabilidade na largura
do passo e maior variabilidade no movimento do tronco durante perturbações de
plataforma, mas não apresentaram uma maior instabilidade local ou orbital quando
comparado com os controlos saudáveis. Este estudo mostra que, na ausência de outras
co morbidades, os pacientes com amputação transtibial unilateral parecem reter a função
sensorial e motora suficiente para manter a estabilidade global superior do corpo
durante a caminhada, mesmo quando substancialmente desafiado [14].
Andar com uma prótese requer em qualquer situação exercer maior carga no
membro intato, prolongando a produção de força de propulsão desse mesmo membro.
Estudos realizados também demonstram que um individuo amputado apresenta uma
extensão de anca mais elevada, para compensar a falta de dorsiflexão na articulação do
tornozelo [10].
18
CAPÍTULO 4: PRÓTESES E ORTÓTESES
Os elementos protésicos surgiram há milhares de anos, por razões meramente
funcionais onde o homem usava um pedaço de madeira para se apoiar, de forma a poder
caminhar com apenas um membro inferior. Do mesmo modo, as funções cosméticas e
psicológicas acompanharam essa evolução. Desde guerras ao encobrimento de
deformações, estes produtos foram e serão reflexos do aperfeiçoamento da medicina e
da sua fusão com a tecnologia. Muitos dos elementos que transportam até aos dias de
hoje evidências do uso de próteses ou ortóteses, ou mesmo de amputações são
encontrados em peças de arte produzidas por povos primitivos.
A evolução tecnológica das Ortóteses e Próteses tem investido no
desenvolvimento das suas pesquisas em diversas áreas, nomeadamente na robótica, na
biomecânica e na automação, a fim de desenvolver novas gerações de membros
artificiais.
O século XXI anuncia ser uma época de desenvolvimento tecnológico, tanto ao
nível dos materiais como ao nível dos mecanismos, com o aparecimento de dispositivos
verdadeiramente marcantes. Atualmente, já é possível reproduzir com grande fidelidade
o ciclo de marcha do ser humano [15] [16].
4.1 ORTÓTESES
Ortótese pode ser entendida como um equipamento, aparelho ou dispositivo
ortopédico de uso externo, como coletes, palmilhas, calçados especiais, tutores, entre
outros, que são destinados a alinhar, prevenir ou corrigir deformidades, a melhorar a
função das partes móveis do corpo ou corrigir alterações morfológicas de um órgão, de
um membro ou de um segmento de um membro [15] [16].
O objetivo do uso de ortóteses é restaurar funções perdidas, normalmente após
uma doença ou uma condição neurológica, aos seus níveis naturais [15].
A origem etimológica do termo ortótese (Orthosis) vem do grego e é oriundo da
palavra grega “orthos” que significa direito, reto, normal. São utilizadas desde a
antiguidade, nessa altura sem princípios técnicos definidos e construídos de maneira
artesanal.
Os principais objetivos e princípios na utilização das ortóteses são:
 Estabilizar articulações, músculos e tendões que não têm condições de
sustentação própria, quer a nível anatómico quer a nível funcional.
19
 Prevenir, impedir ou minimizar a estruturação de deformidades
articulares;
 Reduzir movimentos involuntários.
Pode dividir-se as ortóteses em dois grandes grupos: Ortóteses Estáticas,
caracterizadas por serem talas imóveis, delineadas para imobilizar articulações de modo
a evitar deformações, lesões nos tecidos moles ou contracturas; e Ortóteses Dinâmicas,
cujos mecanismos retratam o movimento que o corpo já não consegue produzir,
mantendo ativa as capacidades funcionais [15] [17].
4.1.1 Ortóteses para membros inferiores
As ortóteses que envolvem uma ou mais partes dos membros inferiores são
designadas por ortóteses de membro inferior e são classificadas conforme o membro e a
articulação que necessita de correção:

Pé: FO (foot orthose). As ortóteses a nível do pé são por vezes
confundidas com o calçado. Uma vez que geralmente é um calçado modificado pela
adição de materiais aplicados a nível interno ou externo no sapato. Estas alterações são
com o intuito de corrigir desalinhamentos dos membros inferiores.

Tornozelo-pé: AFO (ankle foot orthose) controlam o alinhamento
e a movimentação do pé e do tornozelo e, desta forma, afetam todo o corpo”.

Joelho-tornozelo-pé: KAFO (knee ankle foot orthose) estende-se
desde a coxa para o pé e é geralmente usado para controlar a instabilidades no membro
inferior, mantendo o alinhamento e controlar o movimento.

Anca-joelho-tornozelo: HKAFO (hip knee ankle foot orthose)
abrange a articulação da anca e da pélvis para proporcionar uma maior estabilidade para
a anca, parte inferior do tronco e extremidades [18].
Assim, têm-se os seguintes exemplos de ortóteses para o membro inferior, os quais
podem ser visualizados na figura 6:

Imobilizador de joelho posição funcional, a);

Imobilizador do tornozelo, b);

Joelheira articulada elástica, (c);

Estabilizador de tornozelo, (d);

Sandália para gesso, (e);
20

Tira sub-Patelar em tubo, (f);

Dennis-Brownne: para manter membros inferiores em rotação externa ou
interna, (g);

Geno Valgo e/ou Geno Varo: para correção do valgismo e/ou varismo, (h);

Tutor: tutor para fratura de tíbia/fíbula, (i);

Trilateral: para tratamento de Legg-Perthes, (j);

Tutor longo unilateral ou bilateral: controlo do quadril sem controlo do
joelho, (k);

Ortótese moldada tornozelo-pé, (l);

Palmilhas de Silicone Sob Medida, (m);

Mola de Codvila: para pés caídos, pode ser usado com palmilha acoplada ou
pregador para fixação no calçado, (n);

Ortóteses tíbio társicas flexíveis para pés caídos, (o);

Abdução do quadril Atlanta Brace, (p);

Suspensório de pavlic, (q) [19] [20].
(a)
(f)
(b)
(g)
(c)
(h)
(d)
(e)
(i)
(j)
21
(k)
(l)
(o)
(m)
(p)
(n)
(q)
Figura 6: Exemplos de ortóteses para o membro inferior. a) Imobilizador de joelho posição
funcional, b) Imobilizador do tornozelo, c) Joelheira articulada elástica, d) Estabilizador de
tornozelo, e) Sandália para gesso, f) Tira sub-Patelar em tubo, g) Dennis-Brownne: para manter
membros inferiores em rotação externa ou interna, h) Geno Valgo e/ou Geno Varo: para correção do
valgismo e/ou varismo, i) Tutor: tutor para fratura de tíbia/fíbula, j) Trilateral: para tratamento de
Legg-Perthes, k) Tutor longo unilateral ou bilateral: controlo do quadril sem controlo do joelho, l)
Ortótese moldada tornozelo-pé, m) Palmilhas de Silicone Sob Medida, n) Mola de Codvila: para pés
caídos, pode ser usado com palmilha acoplada ou pregador para fixação no calçado, o) Ortóteses
tíbio társicas flexíveis para pés caídos , p) Abdução do quadril Atlanta Brace, q) Suspensório de
pavlic [19] [20].
Pode-se distinguir ortóteses passivas e ortóteses ativas, figura 7. As ortóteses
passivas foram as primeiras ortóteses que surgiram, pois não possuíam nenhum tipo de
atuador acionado por comandos elétricos. O seu funcionamento depende totalmente do
movimento do paciente ou é usada para restringir algum movimento. As ortóteses ativas
utilizam atuadores de diversos tipos controlados por sinais elétricos. Inicialmente, as
ortóteses ativas eram basicamente desenvolvidas a partir das ortóteses passivas com o
intuito de reproduzir de forma mais fidedigna os movimentos antropomórficos para
auxiliar no processo de reabilitação de pacientes. Estas próteses são muito utilizadas nos
exercícios físicos de reabilitação funcional, pois os movimentos gerados pela ortótese
estimulam o sistema nervoso central a reaprender os movimentos perdidos ou
parcialmente perdidos [15] [17].
22
Nas últimas décadas, tem havido mudanças significativas no que respeita aos
materiais e tecnologias utilizadas para desenvolver e fabricar novas ortóteses. Os
materiais mais utilizados no fabrico de ortóteses são comummente metais (aço,
alumínio, magnésio e ligas de titânio) e outros (couro e borracha) e plásticos (de baixa
temperatura e termoplásticos de alta temperatura) [17].
(a)
(b)
Figura 7: (a) Ortótese passiva de reação ao solo [18]; (b) Ortótese ativa com
atuação no joelho [18].
Independentemente do tipo de ortóteses com as mais diferentes finalidades,
existem vários objetivos que se esperam atingir, entre os quais:

Restaurar a função para a qual foi solicitada;

Provocar o mínimo de inconvenientes ao paciente;

Ser segura e não causar lesões;

Ser tanto quanto possível estética;

Ser fácil de usar e manter;

Ser duradoura e ter uma boa relação preço qualidade.
4.1.2 Doenças do pé e tornozelo que conduzem ao uso de ortóteses
Durante o ciclo de marcha, o pé e o tornozelo estão sujeitos a diversas forças e
movimentos, de modo que o movimento do corpo ocorre. O movimento do tornozelo é
crucial para permitir a absorção correta das forças e avanço do membro inferior.
Um grande número de doenças ou de acidentes podem afetar os sistemas
neuromusculares e músculo-esqueléticas, que podem conduzir a perturbações no
tornozelo.
23
Algumas das doenças a nível do pé e tornozelo, associadas aos elementos que
constituem estes membros, por exemplo: ossos, tendões e músculos, e ainda as doenças
neurológicas que acabam por afetar estes membros são: Miopatia; pé plano; pé cavo ou
supinador; fraqueza do tibial anterior; resistência do pé em flexão plantar; inversão e
eversão do ante pé; entorses, lesões e contusões; poliomielite; fascite plantar; pé
diabético; esporão do calcâneo; meta tarsalgia; pé valgo ou varo; neuroma de Morton;
dedos em garra; dedos montados; joanetes; artrite reumatoide; acidente vascular
encefálico; traumatismo craniano encefálico; traumatismo raquimedular; pé caído ou pé
dependente; lesão do nervo ciático, neuropatia periférica [21].
4.2 PRÓTESES
A perda de um membro ou parte dele representa uma mudança profunda nas
atividades físicas e no bem-estar psicológico do ser humano, bem como influencia todas
as atividades de lazer e profissionais. Uma forma de amenizar e recolocar o indivíduo
nas suas tarefas diárias é a colocação de próteses no local do membro amputado. Por
outro lado existe a necessidade de se preparar, desenvolver, próteses para aquilo que é
classificado como anomalia congênita, enfermidades que geralmente costumam
acompanhar pacientes desde os seus primeiros dias de vida e que também podem ser
denominadas “amputações congênitas”. Podendo ser anomalias transversais ou
anomalias longitudinais, sendo que as transversais utilizam próteses com encaixes e as
longitudinais possuem função de ortóteses e próteses ao mesmo tempo.
As próteses podem ser definidas como aparelhos ou dispositivos concebidos
para substituir um órgão de um membro ou um membro destruído ou gravemente
ferido. A palavra prótese (Prosthesis) vem do grego e significa acrescentar, adicionar
[15].
Pode-se diferenciar próteses externas, que têm como principal papel substituir
um membro amputado, como o caso de uma perna, e as próteses internas que são
inseridas no interior do corpo, como por exemplo uma prótese da anca.
Estes dispositivos, em Ortoprotesia podem dividir-se em várias tipologias
quanto ao nível de amputação. Assim temos:
 Próteses para desarticulação do ombro;
 Próteses Transumerais (quando a amputação é acima do
cotovelo);
24
 Próteses para desarticulação do cotovelo;
 Próteses Transradiais (em amputações abaixo do cotovelo);
 Próteses para desarticulação do punho;
 Próteses para amputação parcial da mão;
 Próteses para amputação parcial do pé;
 Próteses para desarticulação do tornozelo;
 Próteses Transtibiais;
 Próteses para desarticulação do joelho;
 Próteses Transfemurais;
 Próteses para desarticulação da anca;
 Próteses para Hemipelvectomia (amputações na zona da bacia).
Quanto
à
sua
estrutura,
as
próteses
podem
distinguir-se:
próteses
exoesqueléticas, quando apresentam uma estrutura rígida, que suporta as forçam
implicadas no seu uso, à superfície; e próteses endoesqueléticas que ao contrário das
anteriores têm a sua estrutura no interior da prótese e são normalmente compostas por
elementos modulares, facilitando a troca de componentes. Esta configuração permite
diversos tipos de conformações a nível de desempenho da prótese e por consequência a
nível económico, o que as tornam superiores às próteses exoesqueléticas sobre o ponto
de vista funcional e cosmético. Têm a vantagem de o alinhamento da prótese, não
implicar desmontar todo o conjunto. O alinhamento e a afinação de tensões podem ser
resolvidos diretamente em cada componente através de parafusos ou reguladores [17]
[18].
Podem ser ainda classificadas de acordo com a tecnologia dos componentes
articulares utilizados em Próteses Passivas, Mecânicas, Pneumáticas, Hidráulicas,
Eletrónicas, Elétricas e Híbridas.
(a)
(b)
Figura 8: Tipos de prótese. (a) Prótese exoesquelética em madeira [15]; (b) Prótese
endoesquelética para amputação acima do joelho [15].
25
4.2.1 Componentes da prótese
As próteses são constituídas por encaixes, articulações, adaptadores, tubos de
conexão e pés, figura 9. Estes constituintes devem ser criteriosamente selecionados de
acordo com as necessidades do paciente. Os diferentes níveis de amputação têm
necessidades diferentes e, por consequência, encaixes diferentes. O encaixe tem como
funções fixar a prótese ao membro residual do paciente, envolver o coto sem dificultar a
circulação sanguínea e transmitir forças e controlar os movimentos. Os pontos de
pressão para fixação, descarga de peso e suspensão da prótese devem ser definidos e
ajustados em cada paciente, de forma a evitar ferimento no coto.
Cada parte tem como função básica realizar a união naquilo que se denomina de
componente funcional (pé, articulação de joelho, articulação de quadril e encaixe) das
próteses modulares e resistir à massa do usuário, bem como simultaneamente, absorver
a energia e dissipá-la de volta para auxiliar o paciente em sua caminhada. Os materiais
mais comummente utilizados na confeção das próteses mecânicas são: titânio, liga
cobalto-cromo-molibdênio, aço inoxidável e fibra de carbono [15] [21].
Para cada nível de amputação, encontramos diferentes tipos de encaixes. Esses
ajustes precisos definem o sucesso da protetização e, consequentemente, da reabilitação.
Os adaptadores e os tubos de conexão são selecionados dependentes da
configuração da prótese e dos seus outros componentes. O revestimento cosmético é
realizado através de uma espuma com variáveis espessuras. Este revestimento de
espuma pode ser substituído por impressões realizadas diretamente no encaixe, para
quem não pretender disfarçar a prótese [15]
Figura 9: Constituintes da prótese [15].
26
A grande dificuldade encontrada na confeção de uma prótese é a escolha do
melhor material que seja compatível e que disponibilize conveniência técnica
observando a otimização do custo benefício. Um outro parâmetro igualmente
importante é a estética, a qual deve entre outros fatores obedecer à teoria da resistência
dos materiais e estar afinado para evitar posterior desagrado ao amputado [15].
27
CAPÍTULO5: TRABALHO EXPERIMENTAL
5.1 Objetivos
Pretendeu-se simular em OpenSim uma patologia, bastante recorrente e que
afeta grande parte da população, pé pendente ou pé caído, e analisar quais os músculos
do pé e tornozelo que são afetados por esta doença, bem como perceber as alterações
dos valores dos ângulos em relação ao padrão de marcha normal.
A ideia subjacente aos acontecimentos básicos envolvidos na produção do
movimento voluntário é bastante simples. Comandos iniciados no cérebro são
transmitidos ao longo dos nervos para os músculos, que quando ativados por nervos,
geram forças. Forças musculares são transferidos para os ossos e produzem movimentos
angulares das juntas. Quando o sistema nervoso coordena corretamente a ativação de
muitos músculos, o resultado é um movimento suave.
Vários investigadores realizaram uma extensa gama de experiência para gravar
padrões de excitação neuromusculares, que caracterizam a mecânica muscular de
contração, descrevem a geometria músculo-esquelético, e quantificam a dinâmica de
movimento. No entanto, permanece um desafio ligar todo o conhecimento detalhado de
elementos neuro-músculo-esquelético para criar uma compreensão integrada do
movimento. Os investigadores precisam simulações para complementar estudos
experimentais porque os elementos importantes do movimento, incluindo sinais neurais
e as forças musculares, são extremamente difíceis de obter.
5.2 OpenSim
OpenSim é um software de livre acesso que possibilita desenvolver, examinar e
observar modelos do sistema músculo-esquelético, e criar simulações dinâmicas de
movimento [1]. OpenSim proporciona uma plataforma na qual os utilizadores podem
produzir uma biblioteca de simulações, as quais podem ser trocadas, testadas, analisadas
e melhoradas através de uma colaboração múltipla [22] [23].
Como é de código aberto permite aos pesquisadores reproduzir os resultados
produzidos por outros laboratórios, fazer melhorias e adaptar o código às próprias
necessidades.
Um modelo músculo-esquelético em OpenSim, consiste em segmentos de
28
corpos rígidos ligados por articulações. Os Músculos abarcam estas articulações e
geram forças e movimento. Uma vez criado o modelo músculo-esquelético, o OpenSim
permite estudar os efeitos da geometria músculo-esquelética, cinemática articular e
propriedades do músculo-tendão sobre as forças e momentos articulares que os
músculos podem produzir. Possibilita ainda o sincronismo de vários movimentos, o que
permite animar diversos modelos ao mesmo tempo [22].
Vários modelos dos membros inferiores e superiores foram desenvolvidos para
analisar as consequências biomecânicas dos procedimentos cirúrgicos, incluindo
cirurgias de tendão, osteotomias e próteses totais. Os modelos referentes aos membros
inferiores foram ainda utilizados para estimar comprimentos do músculo-tendão,
velocidades, acelerações induzidas durante a marcha normal e patológica.Estes estudos
indicam a utilidade de modelos músculo-esquelético e simulações dinâmicas para
analisar as causas de anormalidades da marcha e os efeitos de vários tratamentos.
OpenSim compreende um conjunto de modelagem e ferramentas de análise e o
SimTrack, uma ferramenta que permite aos pesquisadores gerar simulações dinâmicas
de movimento a partir de dados de captura de movimento. Na interface gráfica do
usuário, este é capaz de aceder a um conjunto de ferramentas de alto nível para a
visualização de modelos, edição de músculos, obtendo gráficos e outras funções [24]
[25].
5.3 Pé pendente
Pé pendente, também designado por pé caído, é um termo geral para designar a
dificuldade em levantar a parte frontal do pé, o que leva ao arrastamento dos dedos do
pé
durante
o
caminhar.
Resulta
da fraqueza dos
músculos
que
fazem
a flexão dorsal do pé (movimento de puxar a ponta do pé para si). A função anormal dos
músculos provoca um padrão de marcha característico. Como resultado, a ponta do pé
fica sempre inclinada para baixo, provocando um padrão de marcha anormal. Por vezes
pessoas com pé pendente, para não arrastar os dedos do pé, levantam o joelho acima do
normal ou balançam a perna num amplo arco.
Pé pendente é interpretado como um sintoma de um problema subjacente
neurológico, muscular ou anatómico subjacente. Pode ser temporário ou permanente e
afeta pessoas de todas as idades.
29
O pé pendente pode ter diversas causas, que levam a diferentes tratamentos.
Como referido anteriormente, no geral decorre de fraqueza ou paralisia dos músculos
responsáveis por levantar o pé.
As causas do pé pendente incluem lesão do nervo peroneal, um ramo do nervo
ciático que envolve desde a parte de trás do joelho para a frente da canela, problemas
cerebrais e de coluna e distúrbios musculares.
Algumas formas comuns do nervo peroneal estar danificado ou comprimido
incluem: Lesões desportivas, diabetes, prótese da anca, perna ou do joelho (cirurgias ao
joelho ou na perna podem levar a danos nos nervos que, posteriormente levam ao
desenvolvimento do
pé
pendente
(cerca
de 0,3-4%
das próteses
totais
do
joelho desenvolvem pé pendente). Das pessoas que se submetem a cirurgia na tíbia, 313% experienciam pé pendente. Problemas Cerebral ou de coluna, incluem: AVC,
Esclerose múltipla (EM), paralisia cerebral, doença de Charcot-Marie-Tooth.
As desordens muscularem que podem causar pé pendente, inclui distrofia
muscular, esclerose lateral amiotrófica, Poliomielite, entre outras.
O diagnóstico baseia-se na aparência visual do comportamento alterado do pé.
Contudo, uma eletromiografia pode ser útil na distinção entre os diferentes tipos
de danos no nervo que pode ser responsável pelo pé pendente.
O tratamento precoce pode aumentar as probabilidades de recuperação. Os
tratamentos podem incluir suspensórios leves, palmilhas, fisioterapia, cirurgia.
Suspensórios leves são o tratamento mais comum, sendo usados para apoiar a perna. A
fisioterapia é usada para fortalecer os músculos do pé e da perna. Em alguns casos,
utiliza-se dispositivos eletrónicos (electroestimulação neuronal) que estimulam os
nervos responsáveis pela flexão dorsal do tornozelo. A cirurgia pode ser recomendada
para tentar reparar ou descomprimir o nervo danificado [26] [27].
O nervo peroneal começa a partir da L4, L5, S1 e S2. Na coxa inferior, logo
acima da parte de trás do joelho, o nervo ciático ramifica-se em dois nervos, nervo tibial
e nervo peroneal, que inervam as diferentes partes da parte inferior da perna. O nervo
peroneal comum inclui os ramos: peroneal profundo e peroneal superficial. Estes
inervam músculos nas pernas que elevam o tornozelo e os dedos para cima (flexão
dorsal). O nervo peroneal profundo dá inervação ao músculo tibial anterior da perna que
é responsável pela flexão dorsal do tornozelo [28].
30
Figura 10: Nervo peroneal [29].
[ANATOMY EXAM 1 REVIEW – MUSCLES, JOINTS,
LIGAMENTS] Músculo
Grupo
“Tibialis anterior”
Ação
Inervação
Dorsiflexão do tornozelo;
inversão–doMUSCLES,
pé.
[ANATOMY EXAM 1 REVIEW
JOINTS,
Anterior da
“Extensor hallucis
perna
LIGAMENTS] longus”
“Extensor digitorum
longus”
“Fibularis (peroneus)
tertius”
Vascularização
Dorsiflexão do tornozelo;
extensão do 1º dedo.
Dorsiflexão do tornozelo;
extensão 2 – 5 dedo.
Dorsiflexão do tornozelo;
eversão do pé.
Nervo
peroneal
profundo.
Artéria tibial
anterior
[ANATOMY EXAM 1 REVIEW – MUSCLES, JOINTS,
Tabela 1: Constituição dos músculos anteriores da perna [30].
LIGAMENTS]
[ANATOMY EXAM 1 REVIEW – MUSCLES, JOINTS, LIGAMENTS]
[ANATOMY EXAM 1 REVIEW – MUSCLES, JOINTS, LIGAMENTS]
[ANATOMY EXAM 1 REVIEW – MUSCLES, JOINTS, LIGAMENTS]
Figura 11 : Músculos anteriores da perna [31].
31
Gama de movimentos representante de um tornozelo normal e saudável:

Máximo de plantarflexão em relação à posição subtalar neutral = 50° [33].

Máximo da dorsiflexão em relação à posição subtalar neutral = 30° [33].
Figura 12: Dorsiflexão do tornozelo [33].
5.3.1 Análise da marcha normal
Utilizou-se um modelo músculo-esquelético, da extremidade inferior. O modelo
é intitulado “3DGaitModel2392” e representa um sujeito adulto com uma altura
aproximada de 1,8 m e uma massa aproximada de 75 kg. O modelo é composto por 13
segmentos de corpo rígido e inclui as linhas de ação de 92 músculos (43 por perna e 6
no torso). Os dados experimentais da marcha foram coletados por Jill Higginson e
Chand João no laboratório Neuromuscular Biomecânica da Universidade de Delaware.
Nesta parte experimental averiguou-se a marcha de pacientes com pé pendente,
provocada pela lesão do nervo peroneal, nomeadamente na perna direita.
Para carregar este modelo músculo-esquelético em OpenSim, efetuaram-se os seguintes
passos:

Clicou-se no menu em “File” de menu e selecionou-se “Open Model” .
32
Figura 13: Ilustração representativa de como carregar o modelo - “gait2392_simbody.osim.

Selecionou-se
a
pasta “Models
“gait2392_simbody.osim
“Gait2392_Simbody”
“Open”.
Figura 14: Modelo - “gait2392_simbody.osim.
Na janela “coordinates”, visível na imagem anterior do lado esquerdo, os
primeiros três cursores correspondem a rotações da pélvis sobre os eixos Z, X, e Y,
respetivamente. Os restantes correspondem a rotações deslizantes comuns e controlam
um único grau de liberdade.
Posteriormente efetuou-se o dimensionamento do modelo músculo-esquelético
genérico, com o objetivo de modificar a antropometria, ou dimensões físicas, do modelo
genérico para que ele corresponda a antropometria de um determinado sujeito. É um dos
passos mais importantes na resolução de problemas da cinemática inversa e dinâmica
inversa. O dimensionamento no OpenSim, ajusta quer a massa, quer as dimensões dos
segmentos corporais. Pode ser realizado utilizando uma combinação de dois métodos.
Um à base de medição Escala : Este tipo de escalonamento determina dimensionar
fatores para um segmento do corpo, comparando medidas de distância entre pontos de
referência especificados no modelo, conhecidos como marcadores virtuais , e os
correspondentes marcadores experimentais posições.
E o outro por dimensionamento manual : Este tipo de escalonamento permite ao usuário
dimensionar um segmento com base em algum fator de escala predeterminada.
Dimensionamento manual às vezes é necessário quando os dados de marcadores
adequados não estão disponíveis, ou se os fatores de escala foram determinados
utilizando um algoritmo alternativo.
33
Desta forma, o dimensionamento é feito com base na distância entre os
marcadores do modelo em comparação com as mesmas distâncias entre os marcadores
experimentais correspondentes.
Assim, efetuaram-se os seguintes passos para efetuar esta etapa:

Clicou-se na opção “tools” do menu e selecionou- se “scale model” .
Figura 15: Ilustração representativa da janela Scale Tool.
Este painel é constituído por três janelas, “Settings” utilizado para especificar
parâmetros relativos aos dados do sujeito, modelo genérico, e de como o modelo deve
ser dimensionado. O painel “scale factors” é usado para especificar os fatores de escala
para cada segmento, por último o painel “static pose weights” é utilizado para
especificar pesos em marcadores de posições e ângulos articulares para resolver um
problema de cinemática inversa para a pose estática.
O painel “Settings” está organizado em quatro seções principais:

“Generic model data”: expõe informações não editáveis sobre o modelo
genérico que deve ser escalado. Dá o nome do modelo, a massa do modelo, e se é ou
não incluído um conjunto de marcadores.
34

“Subject data”: exibe informações que podem ser editáveis, que permite
especificar o nome do novo modelo que será gerado, a massa total do sujeito, e se deve
ou não adicionar marcadores ao modelo.
“Scale model”: fornece acesso às configurações básicas para especificar como um
modelo é dimensionado. Se a caixa “Scale model” não estiver marcada, o modelo não
será redimensionado. Quando a caixa para “Preserve mass distribution during scale”
está marcada, a massa total do modelo genérico é dimensionada de modo que seja igual
à massa do objeto, preservando as massas relativas dos seus segmentos corporais. Caso
esta opção não seja selecionada, as massas do segmento são dimensionados com base
unicamente nos fatores de escala aplicados a cada segmento do corpo, e a massa total do
modelo não será igual à massa experimentalmente medida do sujeito.
A caixa “marker data for measurements” serve para especificar um arquivo
contendo dados de marcadores. A distância entre pares de marcadores utilizados para
calcular os fatores de escala para os segmentos baseia-se na média das posições do
marcador ao longo de um intervalo de tempo. Caso se pretenda especificar o intervalo
de tempo, entre o início e to fim selecionar “average measurements between times” . O
tempo de arranque deve ser sempre menor do que ou igual ao tempo final.
“Adjust model markers”: fornece acesso às configurações para especificar como
marcadores no modelo devem ser movidos para coincidir com os marcadores
experimentais. Se esta caixa não estiver selecionada o modelo não será movido. Para
que os marcadores virtuais do modelo possam ser movidos, o modelo deve ser colocado
numa posição que se aproxime da posição do sujeito. Isto inclui colocar o modelo no
local correto em laboratório e também encontrar um conjunto adequado de ângulos
articulares para coincidir com a pose do assunto e não selecionar a opção “Preview
static pose (no marker moviment)”.
Com base na caixa “Scale tool”
“Settings” a massa do objecto é = 75.1646
kg igual à massa do modelo do sistema músculo-esquelético. Contudo depois de se
selecionar Load inseriu-se o arquivo de configurações - “subject01_Setup_Scale.xml”.
35
Figura 16: Dimensionamento do modelo - “gait2392_simbody.osim.
Após inserir o arquivo, verificou-se que a massa do sujeito mudou para 72.6 Kg,
isto tem a ver com as configurações do arquivo carregado, contudo como referido
anteriormente este valor poderia ser editável.
Posteriormente clicou-se em ”run” e “close”.
Figura 17: Dimensionamento do modelo - “gait2392_simbody.osim, sem a opção “preview static pose”
selecionada.
De salientar as esferas azuis à volta do modelo. Estas esferas representam
graficamente os marcadores experimentais a partir dos dados de captura de movimento
utilizados no dimensionamento baseado na medição. As esferas azuis estão sobrepostas
às esferas rosas, que por esse motivo não se veem. As esferas rosas representam os
marcadores virtuais do modelo.
opção “preview static pose” selecionada.
36
A seguir apresenta o caso em que a opção “Preview static pose (no marker
moviment)” do painel “Settings” foi selecionada.
Figura 18: Dimensionamento do modelo - “gait2392_simbody.osim, com a opção “preview static pose”
selecionada.
Da análise da imagem pode-se concluir, que os marcadores virtuais não
coincidem com os marcadores experimentais e como tal observam-se tanto as esferas
azuis como as cor-de-rosa. O erro entre as distâncias calculadas entre os marcadores
virtuais e marcadores experimentais é máximo, neste caso para o topo da cabeça.
37
Verificou-se também que quando se fazia o dimensionamento do modelo mais
do que uma e quer se selecionasse a opção “preview static pose” quer não, o erro
máximo variava, tomando valores cada vez mais pequenos, bem como o sítio onde isso
acontecia também, neste caso varia apenas entre o topo da cabeça e acrômio.
Analisando as restantes janelas, em particular “Scale factors”, pode – se ver que
os segmentos do corpo dimensionados manualmente foram a tíbia e o fémur.
Figura 19: Representação da janela “Scale factors”.
Para animar o modelo, carregou-se o arquivo de movimento “normal.mot”:
Clicou-se em “file”
“Load motion” e selecionou-se o arquivo “normal.mot”, que
descreve o movimento de marcha normal.
38
(a)
(b)
(c)
Figura 20: Ilustração representativa dos passos de como carregar o modelo “normal.mot”,
a) indicação de como carregar o modelo, b) escolha do modelo, c) apresentação do modelo
escolhido.
39
5.3.2 Análise do ângulo do tornozelo na marcha pé pendente
Como explicado anteriormente a patologia pé pendente pode ser uma
“consequência” da lesão no nervo peroneal, que resulta na fraqueza dos músculos
responsáveis pela dorsiflexão do tornozelo. Esse nervo pode ramificar-se em nervo
peroneal periférico e nervo peroneal superficial, os quais são responsáveis pela
inervação dos músculos “Tibial anterior, Extensor hallucis longus, Extensor digitorum
longus, Fibularis (peroneus) tertius”, cuja ação é a dorsiflexão do tornozelo.
Analisaram-se estes músculos ao longo do tempo, especificamente o ângulo do
tornozelo da perna direita: “angle_ankle_r” na marcha normal e na marcha com
patologia pé pendente.
Começou-se por analisar o padrão normal de marcha humana, em particular o
ângulo do tornozelo, durante o ciclo de marcha normal.
(s)
Figura 21: Gráfico do Padrão normal da Marcha Humana, tempo versus função dos membros
do corpo.
Em maior destaque o ângulo do tornozelo:
dorsiflexão
Flexão
plantar
(s)
Fase de apoio
Fase de balanço
Figura 22: Gráfico do Padrão normal da Marcha Humana, tempo versus função ângulo do
tornozelo.
40
No contacto inicial o tornozelo encontra-se com um ângulo aproximadamente de
– 1.7º (o ângulo negativo representa o a flexão plantar, enquanto que o ângulo positivo
indica um dorsiflexão do tornozelo), na resposta à carga o tornozelo faz uma flexão
plantar de 5º, daí para a frente, começa a fazer uma dorsiflexão que chega
aproximadamente a 12.5º. Na fase de apoio final e pré- balanço, o tornozelo faz flexão
plantar de 15º. Posteriormente o tornozelo faz novamente a dorsiflexão e volta até à
posição neutra.
Na figura a seguir obteve-se o ângulo dos músculos responsáveis pela
dorsiflexão do tornozelo, ao longo do tempo, num ciclo de marcha normal. Verifica-se
que o que efetua um maior angulo é o tibial anterior, o que não é de estranhar, uma vez
que do conjunto destes músculos é o que maior contribui para a dorsiflexão do
(Deg.)
tornozelo.
Figura 23: Gráfico do Padrão normal da Marcha Humana, tempo versus músculos
responsáveis pela dorsiflexão do tornozelo.
De seguida apresenta-se os resultados da simulação de uma marcha humana,
onde se varia o ângulo do tornozelo, para perceber as alterações deste ângulo da marcha
(Deg.)
patológica- pé pendente.
(s)
Fase de apoio
Figura 24: Gráfico do tempo versus função ângulo do tornozelo.
Fase de balanço
41
Dá análise do gráfico pode-se concluir-se que o ângulo do tornozelo inicia o
contacto inicial com uma flexão plantar de 50º. Verifica-se que o ângulo do tornozelo
varia entre -50 e -44º, uma vez que como o grupo responsável pela dorsiflexão do
tornozelo foi comprometido, levando ao arrastamento do dos dedos do pé. O
movimento do pé pendente levará ao arrastamento dos pés que pode resultar em dor e
(Deg.)
fraqueza.
Figura 25: Gráfico do tempo versus músculos responsáveis pela dorsiflexão do tornozelo, para
simular a doença pé pendente- foot drop.
Pode ver-se claramente que as amplitudes do ângulo dos músculos responsáveis
pela dorsiflexão do tornozelo diminuíram significativamente, com maior destaque para
o músculo tíbio anterior, que passou de 2.75º para 1.75º.
42
CAPÍTULO 6: CONCLUSÃO/DISCUSSÃO
Este trabalho foi essencial para adquirir um conjunto de conceitos sobre a
marcha humana, amputações, ortóteses e próteses, essencialmente do membro inferior,
de extrema importância para o desenvolvimento do trabalho futuro, relacionado com a
produção, ensaio e certificação de dispositivos protéticos e ortéticos para o membro
inferior.
O conhecimento e a simulação no OpenSim, também foram uma mais-valia,
pois permitir realizar simulações do modelo músculo-esquelético, estudar a coordenação
neuromuscular, analisar o desempenho atlético, estimar cargas, estudar o feito da
geometria dos músculos, projetar e avaliar dispositivos para auxiliar a locomoção. Para
um maior contacto com o programa simulou-se uma patologia da marcha humana- pé
pendente. Para tal efetuou-se uma pesquisa sobre os músculos afetados por esta
patologia, e observou-se a análise do ângulo do tornozelo para os músculos
responsáveis pela dorsiflexão, num modelo de marcha normal e num para um individuo
com pé pendente. Os ângulos do conjunto de músculos responsáveis pela dorsiflexão do
tornozelo diminuíram de amplitude, com uma redução significativa do músculo tíbioanterior, uma vez que do conjunto destes músculos, ser o que mais contribui para este
movimento.
O trabalho realizado ao longo do semestre foi essencial para adquirir
conceitos e ferramentas essenciais para a continuação deste trabalho futuro.
43
CAPÍTULO 7: PERSPETIVAS FUTURAS
Num trabalho futuro, seria útil e essencial a recolha de dados biomecânicos
num laboratório de um paciente com a patologia pé pendente, para a realização de um
modelo que possibilitasse simular um conjunto de parâmetros que permitissem observar
e descrever as diferenças existentes entre indivíduos com esta patologia relação e
indivíduos com marcha normal, uma vez que os dados disponíveis são escassos ou de
difícil acesso.
Numa segunda estância, poder-se-ia redesenhar um modelo de prótese ou
ortótese e /ou alterar os materiais de que são feitos, bem como outras propriedades, para
simular esta patologia no OpenSim, ou até mesmo comparar com os diferentes tipos
existentes e propor alterações adequadas e vantajosas.
44
CAPÍTULO 8: BIBLIOGRAFIA
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