ELABORAÇÃO E VALIDAÇÃO DE UMA PLATAFORMA OSCILATÓRIA PARA
TESTE DE EQUILÍBRIO DINÂMICO
Jomilto Praxedes – [email protected]
Universidade Estadual Paulista, Av. Ariberto Ferreira da Cunha, 333. - CEP: 12.510-416. Guaratinguetá. SP.
Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rua São Francisco Xavier, 524. - CEP: 20550-013. Rio de
Janeiro. RJ
Araildo Silva – [email protected]
Universidade Estadual Paulista, Av. Ariberto Ferreira da Cunha, 333. - CEP: 12.510-416. Guaratinguetá. SP.
Luiz Alberto Batista
Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rua São Francisco Xavier, 524. - CEP: 20550-013. Rio de
Janeiro. RJ
Resumo. Considerando que atualmente, a avaliação do equilíbrio postural em plataformas oscilatórias 2D é
realizada de forma qualitativa, como acontece no teste proposto por Johnson & Nelson (1979), a elaboração
da plataforma em estudo permitirá quantificar o fenômeno oscilatório de forma instantânea, ao passo de
saber como e quanto a plataforma foi mobilizada para a manutenção do equilíbrio, também permitindo
futuras comparações entre exames, isto como um modo de medida avaliativa dos participantes. Assim, este
estudo tem como objetivo elaborar e validar uma plataforma oscilatória que possibilitasse a mensuração e o
monitoramento do comportamento cinemático dos estímulos perturbatórios gerados pelo equipamento. O
instrumento a ser desenvolvido foi baseado em um modelo de plataforma criado por Jonhson & Nelson
(1979) para a mensuração do nível de equilíbrio corporal de um indivíduo. A calibração do sistema foi
realizada de duas formas: primeiro realizou-se a calibração estática do potenciômetro e depois, o
potenciômetro foi calibrado dinamicamente. Os resultados demonstraram boa acurácia, repetibilidade e
linearidade do sinal. Os dados referentes ao deslocamento angular da plataforma coletados pelo
potenciômetro apresentaram boa correlação com os valores obtidos pela videogrametria.
A
instrumentalização da plataforma com o potenciômetro mostrou-se confiável, de forma que, os dados
identificados pelo Biopac estão correlacionados aos obtidos pela videogrametria. Os dados da
videogrametria e do potenciômetro apresentaram uma diferença estatisticamente significativa. Portanto, foi
gerada uma equação para que a partir dos dados do potenciômetro pudéssemos chegar aos valores obtidos
pela videogrametria. Desta forma, pode-se substituir a técnica de videogrametria pela utilização do
potenciômetro, tornando o exame mais prático. A plataforma oscilatória possibilita que o teste de equilíbrio
de Jonhson & Nelson (1979), apresente maior fidedignidade em relação a mensuração do tempo de
permanência no equipamento, e em relação a mensuração, monitoramento e armazenamento dos estímulos
perturbatórios durante o teste.
1. INTRODUÇÃO
O treinamento proprioceptivo, em superfícies estáveis e instáveis, vem sendo cotidianamente utilizado
em centros de treinamento físico. Esta modalidade de treinamento tem como principal objetivo melhorar a
acuidade proprioceptiva e a estabilidade articular dinâmica (Anderson, Behm, 2005; Borghuis, Hof,
Lemmink, 2008, Hill et al, 2009), podendo ser prescrito para diversas populações, tais como: indivíduos com
lesões articulares (Borghuis, Hof, Lemmink, 2008; Alonso, Greve, Camanho, 2009) e idosos (Horak, 1997,
Cheung et al, 2008).
Para a realização de tal treinamento utiliza-se, como base de sustentação do corpo, tanto o solo
(Rasool, George, 2007), sendo este uma superfície estável, quanto os equipamentos específicos, como
aqueles que proporcionam bases instáveis (Laudner, Koschnitzky, 2010). Esses últimos consistem em
plataformas que têm como característica propiciar diferentes condições de instabilidade. Nesse sentido, cada
equipamento pode proporcionar um estímulo perturbatório diferente ao corpo humano, diferindo quanto ao
material de fabricação, a geometria da plataforma e/ou suas restrições mecânicas.
Dentre a grande variedade de plataformas oscilatórias, tais como: giroplano, dynadisc, mini trampolim
e BOSU (Both Slide Up), encontra-se disponível a plataforma bidimensional (2D). Este tipo de plataforma
possibilita o deslocamento em um único sentido, fazendo com que o indivíduo oscile ântero-posterior ou
látero-lateralmente. Atualmente, os testes de equilíbrio em plataformas 2D são realizados baseados nos
protocolos desenvolvidos por Johnson & Nelson (1979), tanto para os testes bipodais quanto para os testes
unipodais.
Estes testes de equilíbrio têm como objetivo, identificar o tempo que o indivíduo permanece sobre a
plataforma sem perder o equilíbrio, ou seja, sem tocar o solo com qualquer parte do corpo, e como o
equipamento oscilou durante o teste (Figura1).
Figura1: Teste de equilíbrio em uma plataforma 2D
Apesar da reconhecida importância da utilização das plataformas no treinamento proprioceptivo,
observa-se que, como qualquer outro, esse tipo de equipamento apresenta limitações, como o fato da
mensuração e do monitoramento dos estímulos perturbatórios gerados pela plataforma, o que, em primeira
estância, dificulta a determinação de cargas precisas de treinamento.
Neste caso, pode-se identificar que tanto a mensuração quanto o monitoramento não são realizados
com precisão, pois, o tempo é mensurado com um cronômetro acionado manualmente e as oscilações são
identificadas a olho nu, apenas sendo registradas na memória do avaliador.
Uma alternativa para solucionar este problema seria a utilização da técnica de videogrametria,
possibilitando a identificação do comportamento cinemático da plataforma oscilatória através da imagem
analisada. No entanto, este procedimento necessita tanto de tempo hábil para a sua realização, o que envolve
a coleta e o processamento das imagens, quanto de uma quantidade de materiais a serem utilizados, como
câmera, marcadores e instrumento de calibração.
Sendo assim, seria necessário um sistema de maior praticidade para a coleta de dados, o que garantiria
qualidade e confiabilidade para as informações coletadas, propiciando mensuração e monitoramento das
oscilações da plataforma 2D.
Considerando que atualmente, a avaliação do equilíbrio postural em plataformas instáveis 2D é
realizada de forma qualitativa, como acontece no teste proposto por Johnson & Nelson (1979), a estratégia
proposta neste estudo permitirá quantificar o fenômeno oscilatório de forma instantânea, ao passo de saber
como e quanto a plataforma foi mobilizada para a manutenção do equilíbrio, também permitindo futuras
comparações entre exames, isto como uma forma de medida avaliativa dos participantes.
Desta forma, este estudo tem como objetivo elaborar e validar uma plataforma oscilatória que
possibilite a mensuração e o monitoramento do comportamento cinemático dos estímulos perturbatórios
gerados pelo equipamento.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Todos os procedimentos de elaboração e coleta de dados da plataforma foram realizados no
Laboratório de Biomecânica e Comportamento Motor da Universidade do Estado do Rio de Janeiro
(LaBiCoM/UERJ).
O equipamento a ser desenvolvido foi baseado em um modelo de plataforma criado por Jonhson &
Nelson (1979) para a mensuração do nível de equilíbrio corporal de um indivíduo. Atualmente, este tipo de
plataforma ainda é utilizado em centros de treinamento, no entanto, em uma versão mais moderna.
Na literatura utilizada para a elaboração deste trabalho, não foi encontrado qualquer de recomendação
acerca das dimensões adequadas para a construção de uma plataforma com estas características. Sendo
assim, a instrumentalização da plataforma instável foi realizada, tendo como base o Balance Board (Jonhson
and Nelson, 1979).
Para elaboração da plataforma, duas bases de madeira, medindo 50cm de comprimento x 40cm de
largura x1,5cm de altura (Figura2), foram utilizadas para formar as bases superior e inferior da plataforma; e
dois semi-círculos de madeira, dimensionados em 14,5cm de altura x 10cm de diâmetro (Figura2), serviram
de apoios laterais, os quais foram posteriormente fixados ao eixo mecânico de movimento.
50cm
40cm
14cm
Figura2: Dimensionamento da plataforma
Um eixo para serra circular n°1 (Motomil – Garthen Indústria e Comércio de Máquinas) (Figura3), foi
fixado na base inferior da plataforma. Este eixo é o componente que propicia a mobilidade desejada para a
plataforma.
Figura3: Sistema mancais/eixo para serra circular
Dois blocos de madeira, com altura de 6 cm e formato triangular, foram posicionados na região
anterior e posterior da base inferior da plataforma, sendo um em cada região e de forma centralizado. Na
base superior destes blocos fixaram-se duas placas condutoras, sendo que estas não estão unidas. Porém,
estas placas estão sendo alimentadas por uma bateria de 1,5v.
A
3
2
2
1
B
1
1
Figura4: Plataforma, sem os blocos anterior e posterior, visualizada no plano sagital e nos sentidos
latero-lateral direito (A), latero-lateral esquerdo, e no plano frontal (B). Base de madeira (1), Semi-círculo de
madeira (2), Sistemas de porca com rosca esquerda (3)
Na região inferior da base superior da plataforma, encontra-se fixada uma placa de condutora
quadrangular. Quando a plataforma chegar completamente em um dos seus extremos, tanto anterior quanto
posterior, e tocar o bloco de madeira, um sinal elétrico será emitindo para o Biopac, através do contato das
placas condutoras localizadas na base superior e no bloco.
Este sinal representará a informação precisa do instante em que o indivíduo chega a um dos extremos
da plataforma, representando o comprometimento do equilíbrio do testado.
A plataforma se mantém travada por um sistema blocos bilateral, até o seu acionamento manual seja
realizado, o que consiste na retirada simultânea dos dois blocos.
No eixo mecânico, em uma de suas extremidades, foi criado um furo para o posicionamento do sensor,
um potenciômetro de fio, de 100Ω (Figura5). Este sensor foi fixado de modo que o mesmo mensurasse o
deslocamento angular da plataforma. Neste caso, a variação dos valores emitidos pelo potenciômetro
representou a variação angular da plataforma.
Figura5: Potenciômetro de fio
O sinal proveniente do potenciômetro foi capturado a uma frequência de amostragem de 200 Hz (UM
100B, Biopac Systems Inc., Santa Bárbara, CA, USA), com ganho = 5.000.
2.1. Calibração Estática do Sistema
A calibração do sistema foi realizada de duas formas: primeiro realizou-se a calibração estática do
potenciômetro e depois, o potenciômetro foi calibrado dinamicamente.
Para a calibração estática do potenciômetro, construiu-se um Transferidor mecânico (Figura6) com o
objetivo de mensurar a variação angular ao longo do tempo. O potenciômetro foi acoplado ao centro do
Transferidor, e nele fixado uma seta para determinar com precisão a leitura do ângulo mensurado.
Dois testes diferentes foram realizados com o intuito de calibrar o potenciômetro, identificando
algumas características do equipamento, a saber: Repetibilidade, Linearidade, Faixa, Amplitude. O primeiro
teste compreendeu na mensuração de 32 medidas, com valor de 10 graus cada, sendo que realizamos as
mensurações de forma consecutiva no sentido horário e depois no sentido anti-horário, para identificar a
linearidade e a repetibilidade do sinal. Este procedimento foi realizado por duas vezes.
O segundo teste compreendeu em deslocar a seta do potenciômetro do seu limite mais inferior até o
seu limite superior. Contudo, para identificarmos a Amplitude, registramos o deslocamento entre os limites,
e para a identificação da Faixa, registramos os valores referentes aos limites inferior e superior. Este
procedimento foi realizado por cinco vezes consecutivas, tanto para o sentido horário e anti-horário.
2.2. Calibração Dinâmica do Sistema
A calibração dinâmica da plataforma instrumentalizada com o potenciômetro foi realizada através do
sistema de Videogrametria 2D, que segundo Gruen (2007) é método que se destina a obtenção de variáveis
cinemáticas para a descrição de posições ou movimentos no espaço, no qual utilizou-se uma câmera High
Speed (Casio Exilim – FH20), com 210fps de captura. Para a captura das imagens, a câmera foi posicionada
no plano sagital da plataforma, de modo a ser observado o eixo de movimento, representado por um ponto.
Três marcadores passivos, de 10 mm cada, foram posicionados em locais específicos da região lateral
da plataforma, a saber: centro da base inferior da plataforma, eixo de movimento e borda lateral do semicírculo. A distância de 90° entre os marcadores foi mantida quando a plataforma está imóvel a 0° e com sua
base superior horizontalizada, permitindo que fossem capturadas informações acerca do seu deslocamento
angular durante um período de tempo.
Após captura dos dados, as imagens foram enviadas para o software SkillSpector (Versão 1.2.5) e
foram processadas através da técnica de “Direct Linear Transformation”. Com o intuito de calibrar o
ambiente foi utilizado um cubo de medidas conhecidas.
Inicialmente, foram capturadas cinco imagens do deslocamento angular da plataforma, propiciado por
estímulos manuais. Após processamentos dos dados, obteve-se o arco de movimento completo da
plataforma e estas informações serviram de base para a calibração da plataforma.
Em seguida, o potenciômetro foi calibrado em função do comportamento angular encontrado no
procedimento acima descrito. Desta forma, os valores emitidos pelo sensor ao Biopac foram diretamente
convertidos em valores angulares, nos fornecendo uma medida direta do comportamento cinemático angular
da plataforma.
Após estes procedimentos, foram impostos 40 (quarenta) estímulos manuais sobre a plataforma, 20
(vinte) no sentido anterior e 20 (vinte) no sentido posterior. Ao mesmo instante que as imagens eram
capturadas, foram coletadas informações provenientes do potenciômetro.
2.3. Estatística
As análises estatísticas dos dados foram realizadas pelo software GraphPad Prism 5.0. O teste t de
student foi utilizado para verificar a diferença entre os valores angulares identificados através da técnica de
videogrametria e o potenciômetro. Para a identificação da correlação entre os valores utilizou-se o teste de
correlação de Pearson.
3. RESULTADOS
Assim como acurácia, a repetibilidade do sistema também apresentou valores satisfatórios (Figura6).
0,10
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0,00
1ª M edida SH
2ª M edida SH
1ª M edida SAH
2ª M edida SAH
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Figura6: Repetibilidade do sinal do potenciômetro (SH – Sentido Horário, SAH – Sentido Anti Horário)
O sistema mostrou boa linearidade, como pode ser observado na Figura7.
LINEARIDADE DO SINAL
1,20000
Voltagem
1,00000
0,80000
Sinal
0,60000
Linear (Sinal)
0,40000
y = 0,0033x + 0,024
0,20000
0,00000
0
50
100
150
200
250
300
350
Angulação (°)
Figura7: Linearidade do sinal
A Faixa e a Amplitude do sistema foram demonstradas na Tabela1, no sentido anti-horário, e na
tabela2, no sentido horário.
Limites
Superior
Inferior
Amplitude
1º
-0,00210
-0,64360
0,64150
2º
-0,00180
-0,64880
0,64700
Sentido Anti-Horário
3º
4º
5º
-0,00180 -0,00180
-0,00210
-0,65030 -0,64510
-0,64580
0,64850
0,64330
0,64370
Média
-0,00192
-0,64672
0,64480
Tabela1: Valores de Faixa e Amplitude do sinal no sentido anti-horário
Limites
Superior
Inferior
Amplitude
1º
-0,00240
-0,65120
0,64880
2º
-0,00180
-0,64850
0,64670
Sentido Horário
3º
4º
-0,00210
-0,00210
-0,65000
-0,64730
0,64790
0,64520
5º
-0,00210
-0,65400
0,65190
Média
-0,00210
-0,65020
0,64810
Tabela2: Valores de Faixa e Amplitude do sinal no sentido horário
Os dados do deslocamento angular da plataforma provenientes da técnica de videogrametria estão
dispostos na Tabela 3.
Média±Desvio
Padrão
Medidas
Medida 1
Medida 2
Medida 3
Medida 4
Medida 5
Máximo
17,176
10,984
20,157
11,487
18,712
15,7±4,2
Mínimo
-11,609
-16,61
-8,779
-16,478
-11,175
- 12,9±3,4
∆ angulação
28,785
27,594
28,936
27,965
29,887
28,6±0,9
Tabela3: Deslocamento angular da plataforma mensurado através da técnica de Videogrametria.
Os valores médios da amplitude angular completa da plataforma, mensurados tanto pela técnica de
videogrametria quanto pelo potenciômetro, podem ser observados na Tabela4.
Técnica
Videgrametria
Potenciômetro
Média ± Desvio Padrão
28,54 ± 0,7
25,18 ± 0,5
Diferença
3,06 ± 0,2
Tabela4: Média e desvio padrão do deslocamento angular da plataforma.
Na Tabela5 são apresentadas as características estáticas do sensor.
Características Estáticas
Faixa de Operação
Faixa Dinâmica
Valores
15,30° - 9,88°
25,18°
Tabela5: Características estáticas da plataforma.
A figura8 representa a repetibilidade do sinal do potenciômetro.
Média
39
37
35
33
31
29
27
25
23
21
19
17
15
13
11
9
7
5
3
1
50,00
45,00
40,00
35,00
30,00
25,00
20,00
15,00
10,00
5,00
0,00
Figura8: Representação gráfica da repetibilidade do sinal do potenciômetro
Os dados referentes as 40 medidas realizadas com o potenciômetro estão dispostas na tabela6.
Medidas
Média ± Desvio Padrão
Máximo
15,30 ± 0,07
Mínimo
-9,88 ± 0,49
∆ angular
25,18 ± 0,51
Tabela6: Dados referentes a média e devio padrão das medições realizadas com o
potenciômetro.
A correlação entre os dados da videogrametria e do potenciômetro são apresentados na Tabela7.
Parâmetro
r de Pearson
r²
Valor de p
α
y
Resultado
0,96
0,93
P<0,0001
0,05
1,149x - 0,9366
Tabela7: Resultado da correlação entre os dados da videogrametria e do potenciômetro
Apesar da correlação entre os dados da videogrametria e do potenciômetro, foi identificada uma
diferença estatisticamente significativa (P<0,0001).
4. DISCUSSÃO
Este estudo atingiu o objetivo de elaborar e validar uma plataforma oscilatória que possibilitasse a
mensuração e o monitoramento dos estímulos perturbatórios gerados.
Os dados referentes ao deslocamento angular da plataforma coletados pelo potenciômetro
apresentaram boa correlação com os valores obtidos pela videogrametria (r = 0,96 e r² = 0,93).
Isto permite que o comportamento cinemático angular da plataforma seja mensurado diretamente pelo
potenciômetro, não havendo necessidade da utilização da técnica de vídeogrametria.
Este fato confere maior praticidade e facilidade para a coleta de dados, pois, através do potenciômetro,
necessita-se apenas deste sensor e de um computador. Já a videogrametria, necessita de câmera de alta
velocidade, marcadores e um tempo maior de processamento dos dados.
A instrumentalização da plataforma com o potenciômetro mostrou-se confiável, de forma que, os
dados identificados pelo Biopac apresentaram-se correlacionados aos obtidos pela videogrametria. De
acordo com Lees et al (2007), a mensuração do comportamento cinemático de uma plataforma instável pode
ser realizado através da técnica de videogrametria, de forma fidedigna. Assim como, a utilização do
potenciômetro apresenta-se confiável para a mensuração do comportamento angular da plataforma (Brown et
al, 2001).
Em acordo com Lees et al (2007), a plataforma oscilatória foi capaz de apresentar seu comportamento
cinemático angular, facilitando assim, a interpretação dos estímulos perturbatório gerados.
Como observado nos resultados, os dados da videogrametria e do potenciômetro apresentaram uma
diferença estatisticamente significativa. Portanto, foi gerada uma equação para que a partir dos dados do
potenciômetro pudéssemos chegar aos valores obtidos pela videogrametria.
Neste caso, os valores de deslocamento angular da plataforma, obtidos pelo potenciômetro, devem ser
transformados através da equação de regressão, identificada no teste de correlação, com o intuito de
identificarmos com maior precisão o comportamento angular da plataforma.
Esta plataforma pode suprir as deficiências, aludidas anteriormente, encontradas nos testes de
equilíbrio com uma plataforma específica, tais como: mensuração do tempo de permanência em equilíbrio
sem tocar o solo; mensuração do comportamento oscilatório da plataforma durante o teste e a quantidade de
vezes que o testado perdeu o equilíbrio em um período de tempo.
No que tange a avaliação do equilíbrio utilizando a plataforma, segundo Brown et al (2007) e Horak,
Hemy, Shumway-Cook (1997), o corpo humano responde de forma distinta às diferentes condições de
instabilidade, neste sentido, o exame de um indivíduo não será necessariamente igual ao de um outro, nem o
seu próximo exame apresentará as mesmas respostas.
Os blocos de madeira anterior e posterior tiveram função importante para a identificação da qualidade
do equilíbrio dinâmico do testado. Portanto, o indivíduo submetido ao teste de equilíbrio bipodal na
plataforma oscilatória, pode apresentar uma tendência ao desequilíbrio, ou seja, o testado pode demonstrar
maior sensibilidade a perda de equilíbrio tanto no sentido posterior quanto no sentido anterior, ou um
equilíbrio.
A plataforma desenvolvida neste trabalho pode servir tanto como equipamento de treinamento quanto
para a realização de teste motores. A partir do momento que tivermos informações acerca das características
cinemáticas do movimento que o testado apresenta durante o teste, será possível estimar a qualidade da
resposta motora que um indivíduo terá quando submetido a um tipo de esforço similar e quanto ao seu
desempenho no processo de treinamento.
Pois, segundo Horak, Hemy, Shumway-Cook (1997), a observação de como um indivíduo responde às
perturbações externas fornece informações de como os sistemas motor e sensorial respondem a um
determinado padrão de estímulos sensoriais, como o sistema nervoso está preparado e se adaptar às
perturbações sob uma variedade de contextos, e como ele aprende e executa uma resposta pré-planejada, o
que está relacionado com o conceito de padrão de coordenação motora.
Os resultados apresentados neste estudo demonstraram que a plataforma oscilatória poderá suprir
algumas deficiências do testes de equilíbrio de Jonhson & Nelson (1979) aludidas anteriormente. A mesma
poderá mensurar o tempo de duração do teste com acionamento automático do cronometro, sendo este
diretamente ao Biopac.
A maior vantagem será a mensuração, monitoramento e armazenamento das informações oscilatórias
da plataforma. Neste caso, poderemos identificar como cada testado se comportou durante o mesmo tempo
de teste, possibilitando comparações futuras entre diferentes indivíduos e diferentes testes do mesmo testado.
A instrumentalização da plataforma oscilatória, propiciará um feedback do status de equilíbrio do
indivíduo durante o teste, possibilitando correções imediatas para a melhora do equilíbrio postural
5. CONCLUSÃO
A plataforma oscilatória elaborada e instrumentalizada neste trabalho foi capaz de mensurar e
monitorar o comportamento cinemático dos estímulos perturbatórios gerados durante a sua movimentação.
Desta forma, pode-se substituir a técnica de videogrametria pela utilização do potenciômetro, tornando o
exame mais prático.
Este equipamento poderá ser útil, no que se refere a exploração de todas as informações possíveis de
serem extraídas do testes de equilíbrio de Jonhson and Nelson (1979), tornando assim o estudo do equilíbrio
postural mais minucioso.
A plataforma oscilatória possibilita que o teste de equilíbrio de Jonhson and Nelson (1979), apresente
maior fidedignidade em relação a mensuração do tempo de permanência no teste, e em relação a
mensuração, monitoramento e armazenamento dos estímulos perturbatórios durante o teste.
Como limitações, a plataforma oscilatória apresentou um alto grau de instabilidade, o que pode
dificultar a execução da tarefa motora pelo testado, outro fato foi o acionamento manual da plataforma, que
dificultou a sincronização dos dados.
Este estudo preencheu uma das inúmeras lacunas a respeito conhecimento dos equipamentos para a
mensuração do equilíbrio e da estabilidade postural, neste sentido, se faz necessários estudos que
possibilitem a identificação do comportamento mioelétrico dos músculos dos membros inferiores e da
coluna, e o desenvolvimento de uma plataforma com características semelhantes a esta construída, mas que
seja possível manipular a produção do estímulo perturbatório a ser gerado. Assim, seria possível estudar o
comportamento postural humano em diferentes condições de instabilidade.
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