SAULO FERNANDES MELO DE OLIVEIRA
Desenvolvimento e Validação de um Dinamômetro Compacto para Avaliação
da Potência Propulsiva em Cadeiras de Rodas
Recife
2012
SAULO FERNANDES MELO DE OLIVEIRA
Desenvolvimento e Validação de um Dinamômetro Compacto para Avaliação
da Potência Propulsiva em Cadeiras de Rodas
Área de Concentração: Saúde e Desempenho Humano
Linha de Pesquisa: Avaliação do Desempenho Humano
Orientador: Manoel da Cunha Costa
Dissertação
de
Mestrado
apresentada ao Programa Associado
de Pós-Graduação em Educação
Física UPE/UFPB como requisito
parcial à obtenção do título de
Mestre em Educação Física.
Recife
2012
Agradecimentos:
Agradeço a Deus pela oportunidade que me foi concedida de utilizar a melhor
das habilidades humanas por Ele projetada: a inteligência!
À minha Mãe Neide, meu irmão Fernando, minha namorada Inês e toda sua
família, que sempre me acolheram nos momentos mais difíceis desta jornada sem
fim. Mamãe e Mano: peço-lhes desculpas pelas ausências, jamais reparadas, e que
se tornaram em mim cicatrizes permanentes.
Agradeço aos companheiros de Laboratório Fabíola Albuquerque, Juliana
Brito, Mirella Cabral, Humberto Morales, Filipe Freitas, Felipe Bezerra, Policássia
Ribeiro, Carlos Eduardo Lins e os demais, pelo apoio e aprendizado que me
proporcionaram e pelos vários momentos nos quais jamais irei esquecer. Também
por “aguentarem”, de maneira compartilhada, minha compulsão por cafeína.
Aos professores Manoel Costa, Marcos André, Fernando Guimarães, Karla
Toniollo, Warlindo Carneiro, Gilberto Freitas, Teresinha Lima, Wilson Viana, Tetsuo
Tashiro e outros mais (que na memória me faltam), que desde a graduação mesmo
sem imaginarem, por suas ações, me serviram de inspiração incondicional.
Reitero aqui, formalmente, agradecimentos sinceros aos companheiros do
Núcleo de Educação à Distância (NEAD) da Universidade de Pernambuco, local
este personificado pelo Prof. Renato Moraes, ícone que pensei jamais um dia ter a
oportunidade de conhecer e, especialmente, ao companheiro de todas as horas
Afonso Bione, que me ensinou a “pensar como um computador”.
Encerro aqui os meus agradecimentos com um abraço e um cordial aperto de
mão ao meu amigo e orientador Manoel Costa que em todos os momentos, longe ou
perto, me ensinou literalmente que empreender é a capacidade de, pela pressão,
transformar carvão em diamante!
Abraços a todos.
Recife, 22 de agosto de 2012.
RESUMO
Os objetivos dessa pesquisa foram: a) verificar a reprodutibilidade e especificidade do sistema de
calibração desenvolvido para o protótipo; b) verificar a especificidade fisiológica do equipamento; e c)
analisar a confiabilidade do sistema eletroeletrônico de contagem das rotações e medição da
potência propulsiva. O protótipo foi montado sobre dois kits de cilindros para treinamento interligados
por uma haste central contendo um sistema de roldanas para calibração do Momento de Inércia (MI)
pelo método experimental. Um sistema eletroeletrônico composto por sensores de rotação e uma
placa analógica-digital, transmitem as informações para um computador pessoal, para
processamento das informações advindas de testes físicos em tempo real. Esta pesquisa dividiu-se
em três fases: na primeira, 5 homens (21,2 ± 2,7 anos), participaram de um protocolo experimental
contínuo de 5 minutos em 4 estilos distintos de propulsão manual, a uma freqüência de propulsões
por minuto de 120%. Ao final de cada minuto foram coletados a freqüência cardíaca e a percepção
subjetiva de esforço. Foram realizadas comparações entre os estilos propulsivos nas variáveis de
desempenho fisiológico. Na segunda fase, analisou-se a reprodutibilidade e especificidade do sistema
de calibração do protótipo, com procedimento teste-reteste por 2 avaliadores com diferença de 24h.
Adicionalmente, 6 homens (peso: 67,14 ± 4,41kg; estatura: 1,73 ± 4,41m) realizaram um protocolo de
sprint de 20s, com coleta de dados de rotação realizada nos primeiros 10s. Os resultados de potência
acumulada nos 10s foram calculados pelos modelos experimental e teórico. Na terceira fase, 21
2
homens (idade: 20,9 ± 2,4anos; peso: 68,9 ± 7,9kg; estatura: 174,0 ± 7,1m; IMC: 22,7 ± 2,5kg·m )
participaram da validação do sistema eletroeletrônico, por meio de um protocolo de esforço de sprint
em 20s. Os dados advindos do protótipo e de um sistema de referência por meio de videografia
(240qps) foram comparados. Os dados foram analisados por meio do teste Kruskal-Wallis (estudo 1);
coeficiente de correlação intraclasse, plotagem de Bland-Altman e teste t não-pareado (estudo 2);
coeficiente de correlação intraclasse, plotagem de Bland-Altman e teste t pareado (estudo 3). Nível de
significância estabelecido em 5%. Verificou-se que não há diferenças significativas na nas variáveis
fisiológicas quando comparados os 4 estilos de propulsão selecionados (P>0,05). Quanto à
reprodutibilidade do sistema de calibração percebeu-se altos valores de CCI para o lado direito (0,94;
P<0,05) e para o lado esquerdo (0,95; P<0,05), com valores satisfatórios para a plotagem de BlandAltman quando verificados os limites de concordância no intervalo de confiança de 95%. Os valores
de MI e PO estabelecidos pelo método experimental proposto apresentam diferenças significativas
àqueles calculados por meio do método teórico. De maneira similar, os dados advindos dos sensores
de movimento indutivos apresentam valores de CCI (0,99; P<0,001) e critérios de Bland-Altman que
indicam para validade concorrente do sistema eletroeletrônico de contagem das rotações e
determinação da PO, com valores não significativos (P>0,05) quando comparados ao modelo de
referência. O protótipo desenvolvido possui características de validade e reprodutibilidade das suas
partes constituintes, mostrando-se como sendo um novo conceito para avaliação do desempenho em
usuários de cadeiras de rodas.
®
Palavras-chave: biomecânica, testes de esforço, ergonomia, plataforma Arduino .
ABSTRACT
The aims of this research were: a) verify the specificity and reproducibility of the calibration system
developed for the prototype; b) verify the specificity of the physiological equipment; and c) analyze
system reliability electronics for counting rotations and measurement of propulsive power. The
prototype was mounted on two sets of rollers for training interconnected by a central shaft having a
pulley system for calibrating the Moment of Inertia (MI) by an experimental method. A system
composed of electronics rotation sensors and a digital-analog card, transmit the information to a
personal computer for processing information coming from physical tests in real time. This research
was divided into three phases: the first 5 men (21.2 ± 2.7 years) participated in an experimental
protocol continuous 5 minutes in 4 distinct styles of hand driving, at a frequency of propulsions per
minute 120%. At the end of each minute were collected heart rate and perceived exertion.
Comparisons were made between the propulsive styles in physiological performance variables. In the
second phase, we analyzed the specificity and reproducibility of the calibration system prototype, with
test-retest procedure by 2 reviewers with a difference of 24. Additionally, 6 men (weight: 67.14 ± 4.41
kg, height: 1.73 ± 4.41 m) performed a protocol sprint 20s, with data collection conducted in the early
10s rotation. The results accumulated power in the 10s were calculated by experimental and
theoretical models. In the third phase, 21 men (age: 20.9 ± 2.4 years, weight: 68.9 ± 7.9 kg, height:
174.0 ± 7.1 m, BMI: 22.7 ± 2.5 kg • m 2) participated validation of the system electronics, through a
protocol effort sprint in 20s. The data coming from prototype and a referral system through
videography (240qps) were compared. Data were analyzed using the Kruskal-Wallis (study 1),
intraclass correlation coefficient, Bland-Altman and unpaired t-test (study 2), intraclass correlation
coefficient, Bland-Altman test and paired t-test (study 3). Significance level set at 5%. It was found that
no significant differences in physiological variables when comparing the selected four types of
propulsion (P> 0.05). Regarding the reproducibility of the calibration system to realize high ICC values
to the right (0.94, P <0.05) and the left (0.95, P <0.05), with satisfactory values for the Bland-Altman
checked when the limits of agreement in the range of 95%. The values of IM and PO established by
experimental method differ significantly from those calculated by theoretical method. Similarly, the
data from the motion sensors feature inductive ICC values (0.99, P <0.001) and Bland-Altman criteria
for concurrent validity indicate that the electronics system of counting rotations and determination of
PO, with values not significant (P> 0.05) when compared to the reference model. The prototype
developed has characteristics of validity and reliability of its constituent parts, showing up as a new
concept for measuring performance in wheelchair users.
®
Keywords: biomechanic, wheelchair, ergonomic, Arduino Board
Sumário
1.
INTRODUÇÃO GERAL ............................................................................................ 8
Capacidade de propulsão manual em cadeiras de rodas ....................................... 10
Soluções ergométricas para avaliação física em usuários de cadeiras de rodas15
2.
OBJETIVOS ............................................................................................................. 20
3.
METODOLOGIA ...................................................................................................... 21
Montagem do protótipo .................................................................................................. 21
4.
RESULTADOS ........................................................................................................ 27
Artigo 1: Especificidade de um dinamômetro para usuários de cadeiras de rodas
........................................................................................................................................... 27
Artigo 2: Metodologia para Calibração e sua Especificidade em um Dinamômetro
para Usuários de Cadeiras de Rodas ......................................................................... 41
Artigo 3: Validade Concorrente de um Dinamômetro Compacto para Avaliação
Física em Cadeiras de Rodas ...................................................................................... 57
5.
CONSIDERAÇÕES FINAIS .................................................................................. 73
6.
CONCLUSÃO GERAL ........................................................................................... 74
7.
REFERÊNCIAS ....................................................................................................... 75
8
1. INTRODUÇÃO GERAL
Estudos na área do desempenho físico e locomotor em usuários de cadeiras
de rodas vêm sendo realizados desde as décadas de sessenta e setenta (LINDEN,
1993). O interesse pelo entendimento dos mecanismos fisiológicos, cinéticos e
cinemáticos da propulsão manual, despertou a criação de diversos institutos e
grupos de pesquisa, destacando-se pólos existentes nos Estados Unidos, Holanda,
Bélgica e Inglaterra (COOPER, 2009; VAN DER WOUDE, 1986).
Após a 2ª Grande Guerra, por intermédio do crescimento advindo do esporte
adaptado, principalmente em paralimpíadas, iniciou-se período de grande interesse
sobre os aspectos físicos e de saúde dos deficientes, com especial atenção aos
usuários de cadeiras de rodas (COSTA; SOUZA, 2008). No Brasil, mesmo tendo
observado crescimento da pesquisa nesta área, podemos verificar que há pouco
interesse público no que diz respeito ao desenvolvimento de soluções para
acessibilidade aos usuários não atletas.
As principais fontes de preocupação e dificuldade para a vida social dos
usuários de cadeiras de rodas estão nas barreiras arquitetônicas advindas dos
ambientes públicos (PIERCE, 1998), impossibilitando a locomoção e diminuindo o
livre acesso dos indivíduos aos espaços de lazer e de trabalho (SOUZA, 2009). Em
termos de mídia, por diversas vezes os sujeitos portadores de alguma deficiência
física, dentre eles, usuários de cadeiras de rodas, têm reconhecimento social
apenas por meio do esporte.
É a partir destas constatações, que surge a necessidade de criação de
técnicas, metodologias e tecnologias que possibilitem a avaliação de aspectos
fisiológicos e comportamentais dos usuários, aumentando o poder de decisão e
também as possibilidades de diagnóstico e prevenção para melhoria da qualidade
de vida relacionada à saúde desta população (GLASER, 1979).
A escassez de atividade física por parte dos cadeirantes aumenta a
probabilidade de desenvolvimento de patologias hipocinéticas (QUINTANA; NEIVA,
2008), ao mesmo tempo em que o esforço quando realizado de maneira inadequada
pode traduzir-se em lesões por sobrecargas repetitivas nos membros superiores
(BONINGER, 2002). Dessa forma torna-se parte integrante de programas de
reabilitação ou treinamento físico para indivíduos com lesão recente os exercícios de
manuseio da cadeira de rodas, inclusive verificando as melhores técnicas, tipos e
9
estratégias de propulsão manual (BONINGER, 2002; DE GROOT, 2004; GOOSEYTOLFREY; KIRK, 2003).
Dessa forma, a adequação entre o binômio usuário+cadeira depende de uma
avaliação ergonômica e mecânica dessa interação, fundamental para verificação da
máxima eficiência propulsiva, reconhecendo, a partir de dados objetivos, as
melhores formas de propulsão, locomoção e manuseio do implemento (AMBROSIO,
2005; VANLANDEWIJCK; SPAEPEN; LYSENS, 1994). Dentre as variáveis que podem ser
utilizadas para determinar a eficiência de movimento, a potência mecânica (PO) é
parte integrante em diversos protocolos de esforço físico voltados a este público-alvo
(DE GROOT; ZUIDGEEST; VAN DER W OUDE, 2006; DEVILLARD, 2001; GLASER, 1979).
No âmbito da avaliação do desempenho físico, verificam-se instrumentos,
muitos deles adaptados, que facilitam o atendimento aos cadeirantes, muito embora
haja algum tipo de confusão terminológica no que diz respeito à finalidade dos
equipamentos (DIGIOVINE; COOPER; BONINGER, 2001), principalmente dos ergômetros
e dinamômetros. Conceitualmente, os dinamômetros são instrumentos que possuem
como função a avaliação da força muscular durante a contração, sendo utilizado
para verificar o estado do músculo em ação. No que concerne à ergometria, trata-se
de um método utilizado para medição da quantidade de trabalho, geralmente
durante esforço físico (DECS). Os ergômetros, por outro lado, são equipamentos
que têm por objetivo a verificação da máxima capacidade de esforço sob uma
determinada carga de frenagem (mecânica ou eletromagnética) por meio da ação de
grupos musculares específicos ou de um conjunto deles.
Percebe-se que os equipamentos ergométricos podem, em alguns casos,
serem utilizados para avaliação de máxima capacidade cinética do movimento sob
uma determinada carga; já os dinamômetros se restringem, no âmbito da educação
física, somente aos valores de força e potência musculares produzidas em
determinado movimento. Contudo, os equipamentos voltados à dinamometria em
usuários de cadeiras de rodas até o momento construídos, utilizam-se de métodos
ergométricos para verificar cargas máximas ou submáximas desenvolvidas pelos
usuários, descaracterizando sua finalidade básica, e desconsiderando os fatores que
podem interferir na capacidade de propulsão manual em cadeiras de rodas.
A capacidade de propulsão manual em cadeiras de rodas define-se como
uma característica que está relacionada não só ao desempenho físico do sujeito,
mas também às variáveis biomecânicas, ergonômicas e de estratégicas do
10
manuseio da cadeira de rodas (DEVILLARD, 2001), sendo, por este motivo, uma
variável multifatorial e que requer instrumentos para sua avaliação que
proporcionem condições metodológicas específicas.
Estudos anteriores têm demonstrado que a capacidade de propulsão manual
em cadeiras de rodas é um movimento pouco eficiente, devido principalmente ao
desperdício da força que é transmitida ao aro de propulsão no momento da
locomoção do indivíduo (GLASER, 1980; VAN DER W OUDE, 1997). Sendo assim, a
montagem de um novo equipamento que possibilite a criação de métodos e técnicas
de maior economia e eficiência dos usuários poderia suprir a lacuna existente,
abrindo caminho para o desenvolvimento de outras pesquisas nesta área.
Conforme dito anteriormente os dinamômetros disponíveis para avaliação em
usuários de cadeiras de rodas possuem característica ergométrica, tendo como
principal finalidade a determinação de uma carga de frenagem específica,
denominada como potência externa (POEXT) seja esta por meio de elementos
eletromagnéticos ou mecânicos, a fim de avaliar diferentes condições de utilização
da cadeira de rodas, possibilitando simular algumas condições ambientais e de
superfície em laboratório (COOPER; FLETCHER-SHAW ; ROBERTSON, 1998; SHIMADA,
1995). A proposta o presente trabalho é realizar o caminho inverso, verificando a PO
que poderá ser produzida pelo conjunto cadeira de rodas+usuário, a partir de uma
perspectiva ecológica e ergonômica (THOMAS; NELSON, 2002).
Capacidade de propulsão manual em cadeiras de rodas
O estudo cinemático da propulsão manual da cadeira de rodas visa
determinar padrões de movimento similares em indivíduos lesionados, no intuito de
diagnosticar clinicamente sobrecargas articulares e o desenvolvimento de dor e
lesões nos membros superiores (COLLINGER, 2008; MORROW ; KAUFMAN; AN, 2010). A
interação entre as fases de impulsão e recuperação formam a base para verificação
dos padrões propulsivos em cadeiras de rodas (BONINGER, 2002; DE GROOT, 2004).
Diversas técnicas e estratégias de manuseio, para quantização da capacidade
propulsiva de cadeira de rodas manuais, foram determinadas no sentido de
relacionar os aspectos qualitativos desse movimento (BONINGER, 2002) com
11
características
fisiológicas
(GOOSEY-TOLFREY;
KIRK,
2003)
e
biomecânicas
(AMBROSIO, 2005; FINLEY, 2004; FINLEY, 2002) do usuário.
Collinger et al (2008), em estudo multicêntrico de caráter descritivo,
analisaram as influências de características antropométricas sobre a cinemática dos
ombros nos três planos de movimento (x, y e z). Os autores verificaram aumentos na
força aplicada aos aros de propulsão proporcionais ao acréscimo de velocidade
(p<0,05). De maneira similar o peso corporal, após análise demográfica realizada
por meio de regressão linear, mostrou-se como variável preditora das forças sobre a
articulação dos ombros.
Cumpre destacar que alguns estudos utilizaram nas análises dados advindos
apenas de um lado de propulsão (COWAN, 2008; KOONTZ, 2009; RICHTER, 2007),
coletados por meio de rodas instrumentadas com sensores de força e movimento.
Além desta constatação, acreditamos que o acréscimo de peso adicional à cadeira
de rodas pode influenciar a inércia rotacional do equipamento, que no caso dos
estudos sobre a PO, é importante que seja considerada.
Diferenças entre os lados de propulsão manual (direito e esquerdo)
geralmente são conduzidos no intuito de diagnosticar déficits de força, resistência ou
potência dos músculos que participam do movimento. Neste sentido, Hurd et al
(2008), ao comparar os índices de simetria entre os lados de propulsão sobre
condições diversas, verificaram valores menores de assimetria nas condições “ao ar
livre” em comparação aos testes de laboratório. Foram encontradas também
diferenças significativas (p<0,01) entre os índices de simetria nas variáveis momento
propulsivo (M), força total (Ftot), força tangencial (Ftan), fração efetiva de força (Ffef),
momento pico de propulsão (Mpico), trabalho (T), tempo de contato (t) e potência
(PO).
Em análises conjuntas sobre os aspectos eletromiográfico e cinemático do
manuseio por parte dos usuários, encontrou-se acréscimo nos ângulos de contato
(CHOW , 2009), entre as condições de rampa de 0° para 10°, e também na
participação da articulação do tronco a partir de 6° de inclinação. De forma contrária,
quando analisadas atividades da vida diária (VAN DRONGELEN, 2005), percebeu-se
maior demanda às articulações dos membros superiores nos movimentos de
suspensão para alívio de peso e também na transferência de um meio fio, em
comparação aos movimentos de locomoção livre ou de rampas com pequena
inclinação.
12
Quando comparadas as demandas ambientais sobre as características
cinéticas de propulsão manual Hurd et al (2009), verificaram aumentos progressivos
na requisição de PO, no momento propulsivo (Nm) e também no trabalho propulsivo
(J), embora tenham sido significativas as diferenças apenas para algumas condições
ambientais. Um estudo desenvolvido por Richter et al (2007), apontou para uma
maior necessidade de exercer PO sobre os aros de propulsão quando os usuários
são submetidos a rampas a partir de 6°, provavelmente pelo fato de requerer
maiores valores de torque.
Chua et al (2011) demonstraram a eficiência de giroscópios adaptados à
cadeiras de rodas de corrida, encontrando valores similares para três modelos de
aquisição de sinais (Ipod Touch, MinimaxX e Xbee)1, encontrando valores similares
para o número de revoluções de segundos, após filtragem dos sinais, despontando
como sendo uma forma alternativa e de baixo custo para avaliação de variáveis de
desempenho em atletas de cadeiras de rodas.
No que diz respeito ao dispêndio energético, a utilização dos modelos de
propulsão PAPAW2 mostrou diminuição do consumo de oxigênio e na ventilação
(p<0,05), quando da testagem dos usuários por meio de protocolos de incremento
de PO num dinamômetro para cadeirantes (ALGOOD, 2004), fato que mostra a
eficiência na produção de força por meio de auxílio mecânico aos deficientes, apesar
de não terem sido coletados dados cinéticos.
Sob o aspecto de rendimento, a potência mecânica (PO) caracteriza-se como
variável preditora de rendimento em esportes para pessoas com deficiência tais
como rugby, basquetebol e atletismo, especialmente por serem modalidades
compostas por momentos de sprint, podendo ser consideradas atividades físicas
intermitentes (GOOSEY-TOLFREY; CASTLE; W EBBORN, 2006) e/ou explosivas.
Mason et al (2011) durante verificação da influência dos ângulos de inclinação
das rodas sobre variáveis fisiológicas e biomecânicas de atletas de cadeiras de
rodas, constataram aumentos sucessivos na PO, mensurada por meio do drag test,
e na eficiência mecânica (EM%). Ainda nesse sentido, Veeger et al (1989)
analisaram os efeitos da inclinação das rodas traseiras sobre variáveis fisiológicas
(FC, VO2, EM% ) e cinéticas (tempo de impulso [timp], ângulo de impulso [θimp] e
abdução dos ombros) na propulsão manual em esteiras rolantes. Os achados
1
2
Dispositivos que funcionam a partir de módulos de conexão computacional.
Pushrim-activated power-assisted wheelchair-PAPAW (Cadeira de rodas assistida com aro de potência).
13
apontam para efeitos significativos em θimp, timp, e abdução nas inclinações de 3 e 6°.
FC, VO2 e EM% não apresentaram diferenças entre os ângulos de inclinação.
Quando comparadas duas técnicas de propulsão manual em atletas de
corrida em cadeiras de rodas (CHOW , 2001) encontra-se diferenças significativas
(p<0,05) nas posições do braço nos momentos de contato propulsivo e recuperação
quando analisadas por cinemetria, bem como aquelas técnicas que propiciam os
maiores tempo e ângulo de propulsão podem propiciar melhores condições de
transmissão de forças ao movimento rotacional da cadeira de rodas.
Samuelsson et al (2004) verificaram os efeitos da posição do assento sobre a
eficiência de mobilidade (testada na esteira rolante) e também sobre atividades de
trabalho. Os resultados apontaram para um efeito na distribuição do peso corporal
(p<0,001) e também no ângulo do assento (posição I = 5° e posição II = 10°). Tais
mudanças geraram efeitos significativos (p<0,05) sobre a frequência e o ângulo de
impulsão.
Utilizando um ergômetro especial (VP100 HANDI, HEF techmachine, França)
para atletas em cadeiras de rodas dois estudos (FAUPIN, 2004; 2008) apresentam
resultados contrários sobre as variáveis cinéticas PO, Torque residual (Tresidual),
velocidade e tempo de ciclos, sendo observadas diferenças estatisticamente
significativas (p>0,05) quando testado grupo de atletas de basquetebol sobre
cadeiras de rodas e não usuários saudáveis. Cumpre destacar que as amostras
envolvidas nas duas investigações apresentaram heterogeneidade tanto no que
concerne aos tipos de lesão dos sujeitos envolvidos nos estudos, como na inclusão
de dois voluntários não usuários de cadeiras de rodas (FAUPIN; GORCE; THEVENON,
2008).
Em um estudo de caso Usma-Alvarez et al (2011) avaliaram uma nova forma
de verificação da demanda propulsiva, bem como das variáveis selecionadas,
quando verificadas alterações ergonômicas realizadas em cadeira de rodas
específica para manuseio em atletas de rugby, observando influências marcantes na
velocidade e aceleração quando realizadas modificações no assento (vertical e
horizontal) e no eixo de cambagem da cadeira. Neste mesmo sentido, um estudo de
caso conduzido com atleta de alto rendimento (COSTA; RUBIO; LLANA, 2009), apontou
para uma relação linear entre frequência de impulso (FI) e velocidade da cadeira de
rodas, e usando aros de propulsão maiores (0,37 e 0,36m) a FI aumenta cerca de
6%, com uma diminuição de 27% para o tempo de impulso.
14
Cowan et al (2009), analisando 53 idosos usuários de cadeiras de rodas,
verificaram que o aumento de peso nos instrumentos aumentou as variáveis
cinéticas do movimento (FPICO e FTAN) e a velocidade de propulsão manual diminuiu
a resistência ao rolamento. Na análise foram utilizados vários tipos de superfícies
(rampa, carpete e superfície lisa), sendo a magnitude desse efeito (aumento na
demanda de força), aumentada conforme as condições mais desafiadoras de
locomoção por parte dos usuários. Contudo, Sagawa Jr et al (2010), não
encontraram diferenças significativas em variáveis fisiológicas quando indivíduos
tiveram pesos adicionais para serem transportados em cadeiras de rodas, quando
verificado o desempenho em tarefas cotidianas.
Freixes et al (2010), verificaram os efeitos da posição do eixo de inclinação da
cadeira de rodas em tetraplégicos, demonstrando que a posição do eixo para baixo
e para trás resulta em uma menor velocidade e aceleração do instrumento, com
menores frequência de impulso e maior amplitude de movimento, sendo sugerido
que as posições do eixo para cima e para frente poderia gerar maiores
probabilidades de acidente muscular ou articular nesta população.
Algumas investigações prévias sugerem que o treinamento com exercícios,
quer seja de caráter de reabilitação ou para o desempenho esportivo, exercem
melhorias nos valores absolutos de PO. Outras variáveis relacionadas tais como o
consumo de oxigênio (VO2) e a eficiência mecânica (EM%), também parecem
modificar-se após período de intervenção.
De Groot et al (2002) avaliaram a influência da retroalimentação visual (DE
GROOT, 2003), após período de 8 sessões de treinamento em ergômetro para
cadeirantes, sobre os níveis de PO e eficiência mecânica bruta (EM%B) em
indivíduos saudáveis, comparando os resultados com os sujeitos do grupo controle
(GC). Foram observados aumentos nos níveis de produção de força efetiva (%FEF)
para o grupo experimental (90-97%), contudo, menores valores relativos à EM%B,
quando comparado GC (5,5-8,5% contra 5,9-9,9%), respectivamente.
Richter et al (2011), verificaram a influência da utilização de apenas uma
variável de amostragem para RV aos sujeitos durante programa de reabilitação,
constatando melhorias nas condições cinemáticas de propulsão manual (cadência,
distância e ângulo de impulsão). Foram observados aumentos limitados para o pico
de força (Fpico), provavelmente pela necessidade de manter os níveis de PO e
velocidade, em se tratando de experimentação controlada utilizando esteira rolante
15
sob condições submáximas de manuseio da cadeira de rodas. Cabe ressaltar que os
dados cinéticos foram coletados por meio do sistema Optipush® (similar ao sistema
SmartWheel®), com aquisição dos sinais de maneira unilateral.
Valent (2008), em período de 1 ano avaliando os efeitos do “hand-cycle3”,
observaram aumentos na POpico e no VO2máx para grupo de indivíduos paraplégicos
(GP), em comparação com grupo de tetraplégicos (GT). A heterogeneidade física de
GT foi apontada como sendo uma variável que dificultou serem encontradas
melhorias nesses indivíduos. No mesmo sentido, após período de treinamento de 12
semanas administrado em indivíduos paraplégicos utilizando um hand-cycle, os
mesmos autores (2009), verificaram aumentos em POpico (42,5W ± 21,9 contra
50,8W ± 25,4) e em VO2pico (1,32 Lmin-1 [DP= 40] contra 1,43 Lmin-1 [DP=43]), entre
os valores pré e pós, respectivamente.
Da mesma forma, Keyser et al (2003) verificaram aumentos nos valores de
PO e de VO2 após período de treinamento com exercícios domésticos de 12
semanas em sujeitos portadores de comprometimento nos membros superiores (G1)
e sem comprometimento (G2), havendo diferenças significativas (p<0,001) nos
valores entre os dois grupos.
Numa perspectiva longitudinal, em 8 centros de reabilitação holandeses,
foram verificadas relações entre a variável PO e o desempenho no skill test4,
levando em conta as 3 categorias de escores (desempenho, tempo de realização e
esforço físico), sendo considerada pelos autores uma capacidade física necessária
de ser desenvolvida por meio do treinamento de força muscular em usuários de
cadeiras de rodas (KILKENS, 2005).
Soluções ergométricas para avaliação física em usuários de cadeiras de rodas
Devido à confusão entre os termos ergometria e dinamometria (DIGIOVINE;
COOPER; BONINGER, 2001) bem como a sua utilização prática, encontram-se na
atualidade algumas soluções tecnológicas que visam adequar às reais demandas
fisiológicas e biomecânicas dos usuários de cadeiras de rodas, no âmbito esportivo
ou de qualidade de vida (fig.1), tornando o processo de avaliação do desempenho
3
Triciclo especialmente fabricado para locomoção e exercitação de usuários de cadeiras de rodas
Teste composto de tarefas motoras padronizadas aos usuários de cadeiras de rodas, realizado para estimar o
nível de habilidade no manuseio do aparelho.
4
16
físico mais próximo de uma perspectiva ecológica (THOMAS; NELSON, 2002). Além
disso, esses recursos expandem as possibilidades de diagnósticos próximos da
realidade desses indivíduos, obtendo medidas das variáveis de consumo máximo de
oxigênio (VO2máx) e a potência máxima obtida (POmáx).
A
B
C
D
Figura 1 – soluções instrumentais para avaliação ergométrica em usuários de
cadeiras de rodas. A: cadeira de rodas ligada à ciclo-ergômetro;
ergômetro; B: ergômetro de
braço com jogo eletrônico para treinamento de cadeirantes; C: dinamômetro para
simulação de ambientes e superfícies de locomoção; D: ergômetro específico para
avaliação do esforço físico em usuários de cadeiras de rodas.
Dentre outras medidas, a potência propulsiva (PO) é uma variável que indica
a quantidade de trabalho executada pelo usuário no momento da propulsão manual
em cadeiras de rodas, estando dependente da interação sujeito+cadeira de rodas
(VAN DER W OUDE, 1986).
1986 . Existem formas distintas para determinação da potência
propulsiva em cadeirantes, que basicamente se distinguem pelo tipo de
equipamento (COOPER, 2009)
2009 e instrumentação utilizada para análise. Comumente,
a equação matemática que descreve a potência em Watts no mundo físico, tida
como
o uma medida de produção de energia, é expressa conforme equação [1]:
17
=
∙
[1]
Na qual F representa uma grandeza cinética, que pode ser representada pela
força extraída de transdutores mecânicos ou eletrônicos, e V a velocidade de um
determinado objeto, quer seja em um movimento angular ou linear. Cumpre destacar
que, nos movimentos rotacionais consideram-se os análogos correspondentes ao
deslocamento e velocidade lineares, radianos (rad) e radianos por segundo (rad./s).
Em nosso entendimento, distinguem-se dois tipos básicos de PO a serem
considerados: a potência interna (POINT), determinada diretamente pelas forças
musculares do indivíduo no momento do esforço físico. Geralmente é a forma de
derivação da PO utilizada geralmente em ergômetros de braço; e a potência externa
(POEXT) verificada por meio de sensores externos ao movimento de propulsão
manual e que estão relacionadas à interação do conjunto usuário-cadeira de rodas,
estando dependentes, por conseguinte, às alterações que sejam realizadas
(THEISEN, 1996). Por vezes a POEXT também é derivada do incremento de cargas
externas administradas aos sujeitos em virtude de protocolos de testes físicos.
No caso do movimento propulsivo em usuários de cadeiras de rodas, são
utilizados para obtenção dos dados cinéticos de POEXT, transdutores de força
instrumentados com strain gauges5, (DE GROOT; ZUIDGEEST; VAN DER W OUDE, 2006)
e posterior amplificação e tratamento dos sinais eletrônicos por meio de
condicionadores específicos. Por sua vez, os dados cinemáticos relativos ao
movimento rotacional são também adquiridos nesses mesmos moldes, a depender
do instrumento utilizado para coleta (SHIMADA, 1995). No caso de esteiras rolantes, o
componente V é determinado pela velocidade linear do tapete, sendo possível a
substituição na fórmula:
PO (W) = Fdrag . V
[2]
Onde Fdrag, considerada a força de arrasto, é obtida com base nas medidas
advindas dos transdutores de força, com procedimento padrão de incremento na
5
Dispositivo eletro-mecânico que possui propriedade de extensibilidade e produção de voltagem, geralmente
utilizados na construção de células de carga para medição de forças de compressão, tração, rotação ou
cisalhamento.
18
inclinação das esteiras. De Groot et al (2006), verificaram que existem diferenças
nos institutos de pesquisa e reabilitação que avaliam a propulsão manual no que diz
respeito à PO medida por meio do drag test6. Os autores atribuíram como principais
motivos para os achados, após administração da análise de regressão linear,
alterações na cadeira de rodas e também na esteira rolante, principalmente no que
concerne aos valores de velocidade.
No entanto, a maioria dos aparelhos até hoje projetados desconsideram
características
ergonômicas
da
cadeira
de
rodas
e,
por
conseguinte,
antropométricas do sujeito (BRUBAKER, 1986), impossibilitando análises mais
acuradas no que concerne ao desempenho específico em cada cadeira,
especialmente quando objetivamos avaliar de maneira quantitativa e/ou qualitativa
os estilos de propulsão manual (BONINGER, 2002), as estratégias de impulso
(GOOSEY-TOLFREY; KIRK, 2003), o tamanho das rodas e do aro de propulsão (FAUPIN,
2004; MASON, 2011), simetria entre os lados de propulsão (HURD, 2009) ou até
mesmo novos modelos de cadeiras de rodas voltadas ao desempenho atlético ou
esportivo (USMA-ALVAREZ; FUSS; SUBIC, 2011).
Do ponto de vista da prática clínica, o advento da criação do sistema
SmartWheel® (COOPER, 2009) (fig.2), roda eletrônica instrumentada por meio de strain
gauges, proporcionou crescimento significativo às linhas de pesquisa e avaliação da
propulsão manual em cadeiras de rodas, sendo considerado principalmente os
estilos de manuseio dos cadeirantes a partir de forças compressivas medidas
exatamente no aro de propulsão. Dessa forma, há possibilidade de verificação da
sobrecarga cinética a que os usuários são submetidos, direcionando as análises aos
diversos pontos articulares, bem como permitindo avaliações conjuntas através de
eletromiografia (CHOW, 2009; LOUIS; GORCE, 2010; YANG, 2006) e cinemetria (GILAGUDO, 2010; VAN DRONGELEN, 2005). Ainda assim, esse tipo de sistema adiciona
peso à cadeira de rodas do sujeito, podendo influenciar significativamente a
avaliação funcional dos sujeitos, ainda que estejam em desempenhando suas
funções no próprio local de lazer ou trabalho.
6
O drag test (ou teste de arrasto), consiste em protocolo para determinar a força ou potência de arrasto (externa)
a partir da adaptação em esteiras rolantes e fixação de cabo com célula de carga, sustentando o deslocamento do
conjunto sujeito+cadeiras de rodas, em diferentes inclinações e mantendo-se a velocidade constante da esteira.
Este procedimento permite verificar a demanda externa suportada por parte do sujeito, possibilitando avaliar o
quanto de esforço físico os usuários sustentam utilizando determinado tipo de equipamento.
19
Figura
2:
rodas
eletrônicas
instrumentadas com dispositivo do
tipo Smartwheels. A: cubo para fixação
do sistema eletrônico; B: luva para
blindagem dos strain gauges; C:
bateria e receptor dos sinais.
Ainda que tenhamos aporte tecnológico sobre o tema, a maioria dos estudos
que analisou a influência de conformações físicas do conjunto usuário+cadeira de
rodas, utilizaram-se de transdutores de força ligados ao implemento por meio de
cabos, em sessões experimentais realizadas em esteiras rolantes (DE GROOT;
ZUIDGEEST; VAN DER WOUDE, 2006; KILKENS, 2005).
Ainda como complicador, a
utilização de equipamentos de tamanho excessivo, com calibração complexa
(DIGIOVINE; COOPER; BONINGER, 2001) ou desconsideração das características
inerentes à própria cadeira de rodas do sujeito (BRUBAKER, 1986) trazem limitações à
utilização de tais instrumentos.
Vale ressaltar que outras características do usuário de cadeira de rodas que
são abordadas na prática clínica dizem respeito à postura do usuário (SPRIGLE;
MAURER; SORENBLUM, 2010) e ao tipo do assento utilizado pelos sujeitos
(GIESBRECHT; ETHANS; STALEY, 2011; HSIU-CHEN, 2011). Muito embora esteja claro
que alterações morfológicas dos indivíduos, inclusive os aspectos patológicos da
deficiência, devem alterar a forma de manusear a cadeira de rodas. Ainda assim,
devido à heterogeneidade dos indivíduos, consideramos o conjunto de dados pouco
conclusivo no que diz respeito à multiplicidade de aspectos envolvidos na CPM.
20
2. OBJETIVOS
Geral
Desenvolver um dinamômetro compacto para avaliação da potência
propulsiva em cadeiras de rodas.
Específicos
a) Verificar a especificidade fisiológica do protótipo em teste de esforço
aeróbio;
b) Verificar a reprodutibilidade e especificidade do sistema de calibração do
protótipo;
c) Verificar a validade concorrente do sistema de aquisição de sinais para a
determinação das rotações e da potência propulsiva.
21
3. METODOLOGIA
Montagem do protótipo
O equipamento foi montado nas dependências do Laboratório de Estudos em
Avaliação da Performance Humana, da Escola Superior de Educação Física de
Pernambuco (LAPH-ESEF
ESEF-PE),
PE), pelos pesquisadores proponentes e bolsistas
vinculados à Universidade de Pernambuco em colaboração. Durante o processo de
programação do software, realizou-se
realizou
parceria com pesquisadores
adores do Núcleo de
Educação à Distância da Universidade de Pernambuco (NEAD-UPE).
(NEAD
Para
aquisição de todos os instrumentos e componentes constituintes do equipamento,
foram utilizados recursos próprios.
Do ponto de vista mecânico o protótipo do equipamento está montado sobre
dois sistemas de rolamentos para bicicletas (Easy Scroll, Brasil), contendo seis
cilindros com superfície de aço galvanizado de comprimentos de 0,45 m, perímetro
de 0,24 m e massa de 1,6 kg.. Em cada extremidade dos cilindros fixam-se
fixam
mancais
de poliuretano injetado, com rolamentos blindados. Os pares de cilindros se fixam
pelas suas extremidades por duas barras laterais. Os dois “kits” de cilindro unem-se
unem
por parafusos em sua região central, de forma que funcionem sob eixos distintos.
A
B
Figura 3:: componentes mecânicos do protótipo. A: sistema de rolamentos paralelos
independentes, conectados entre si; B: cilindro para instrumentação do sensor
magnético.
se duas distâncias entre os eixos dos cilindros de cada “kit”, para
Definiram-se
terem duas orientações distintas, 0,2 e 0,1 m, sendo a primeira para ser utilizada
22
numa perspectiva de maior resistência ao rolamento, e a segunda para causar
menor efeito de frenagem
nagem e atrito à cadeira de rodas. Esta regulagem é necessária
tento em vista as diferenças anatômicas, patológicas e fisiológicas existentes entre
os indivíduos. Essa forma o tamanho final do protótipo é de aproximadamente 0,9 a
1m de largura, possibilitando
possibilitando a avaliação de tamanhos variados de cadeiras de
rodas.
Na parte central, entre os dois kits de cilindros, conecta-se
conecta
um sistema de
calibração (SCAL) articulado via roldanas para cabos duplos baseado no método
dinâmico de determinação do momento de inércia,
inércia, podendo ser erguido
perpendicularmente aos eixos do equipamento a uma altura de 0,52 m, e a
respectiva aceleração angular (α)
( ) do cilindro. Tal procedimento será
ser realizado
apenas quando da realização da calibração do sistema no cilindro de
instrumentação (CIN). Para este protocolo será suspenso objeto de massa conhecida
por meio de fio de nylon (Mazzaferro, Brasil) com espessura de 0,1mm, sendo
liberado em seguida após acionamento do sistema eletrônico de contagem das
rotações.
Experimentalmente o MI pode ser determinado por meio de método dinâmico
(PUPO; ZIEMATH, 2009).. Este procedimento consiste em utilizar o princípio da
conservação da energia, no qual considera que o trabalho realizado por determinado
objeto pode ser transmitido, em forma de energia cinética, para outro sistema ou
material. Sendo assim, será fixado objeto de massa conhecida em uma haste móvel
que estará conectada ao suporte central do protótipo.
A
B
Figura 4 – Sistema de
e calibração para cálculo do MI experimental, em ambos os
lados de propulsão. A: sistema de calibração com o objeto suspenso. B: roldana
para cabos duplos conectados ao objeto e ao cilindro de instrumentação.
23
A opção por utilizar o modelo experimental para calculo do MI é baseada nas
diferenças que podem existir entre os valores obtidos quando comparados aos
modelos teóricos. Tais alterações são encontradas por conta da desconsideração
das propriedades dos materiais envolvidos no movimento de rotação que podem
alterar-se no decorrer do tempo.
Após a liberação desse objeto, que estará interligado ao CIN por meio de fio
de nylon de 0,1mm (Mazaferro, Brasil), a velocidade linear impressa pela sua massa
(Kg) será transmitida para o rolamento, que também será movimentado de acordo
com a quantidade de massa deslocada. No início do procedimento o sistema
eletrônico será acionado para contagem da velocidade de CIN. Como a altura e a
massa do objeto serão sempre conhecidas, a determinação do MI será realizada
após administração da equação [3], onde m e R2 representam a massa e o raio
elevado ao quadrado do CIN, g e a as acelerações da gravidade e de CIN
respectivamente, sendo necessário apenas coletar os valores de aceleração do
sistema mecânico. O mesmo procedimento, sob as mesmas condições, deverá ser
repetido em triplicata, permitindo utilizar valores medianos de tempo (ALGOOD, 2004)
e velocidade (v).
(
.
)=
2
−
[3]
Sendo assim, a equação para determinação da potência propulsiva no
dinamômetro poderia ser escrita da seguinte forma:
( ) =
2
−
∙ ∙
[4]
Para montagem do sistema eletromecânico foram utilizados circuitos
impressos com soldagem para distribuição dos sinais elétricos e sensores de
proximidade do tipo indutivo (SensorBras, BRA), fixados nas barras laterais e
posicionados ao lado dos CIN (direito e esquerdo), a uma distância que permita o
sensoriamento e sem que haja interferência entre os imãs e o circuito de detecção.
Os objetos magnéticos serão colocados na face lateral dos CIN, onde deverão ter
24
locais demarcados para controle da posição inicial (posição zero), de partida para os
testes. Os sinais analógicos de detecção serão transmitidos ao conversor analógicoanalógico
digital por meio de cabos emissores e receptores USB, conectados aos circuitos
sensores por meio de plugues duplos.
A
B
C
D
Figura 5 – A: sensores indutivos para detecção dos componentes metálicos e
transmissão dos sinais analógicos à placa Arduino; B: posicionamento dos objetos
metálicos nas laterais dos cilindros de instrumentação e conexão dos sensores na
placa analógica-digital
digital Arduino;
Arduino; C e D: modelagem eletrônica dos dispositivos de
acionamento e aquisição dos sinais de rotação, produzidos pelo software Fritzing,
versão 0.7.4 para Windows (University of Applied Scienses, ALE)
A aquisição e interpretação dos sinais analógicos é realizada por meio de
interface open source Arduino Mega (Sparkfun, EUA), pré-fabricada
pré fabricada com micromicro
controlador ATmega 328, com velocidade de processamento de sinais máxima de
16MHz. O circuito está acondicionado em uma caixa quadrada para proteção,
transporte e conexão dos seus componentes. Um circuito auxiliar, desenvolvido por
meio de placa de circuito impresso, liga-se
liga e aos pinos transmissores e receptores da
placa Arduino, funcionando como um distribuidor dos sinais analógicos processados
pela própria placa.
25
A programação do processador, baseada em linguagem C++, será realizada
utilizando o próprio software de desenvolvimento Arduino Alpha, versão 022, para
ambiente Windows. A velocidade de aquisição e interpretação dos sinais, por meio
do controlador embutido no sistema, é pré-fixada a cada sinal recebido, em
intervalos de tempo abaixo de 0,01s. Na figura 6 encontra-se detalhado fluxograma
das etapas lógicas de rotina do algoritmo. A exibição dos valores obtidos do sistema
é realizada por meio da janela serial disponibilizada pela própria placa conversora e
também por intermédio do software PLX-DAQ (Parallax, EUA), com amostragem
simultânea dos dados em gráficos produzidos em Excel 2007 (Microsoft Office 2007,
Microsoft, EUA).
Função Loop:
Definição dos canais de entrada de sinal;
Função Setup:
Definição das tarefas do sistema
operadores booleanos e estruturas de
comando;
Início da comunicação serial entre
Arduino e PC ( via protocolo USB);
Declaração das variáveis e funções
permanentes (tempo, contagem de
ciclos, rotação e PO);
Função Loop:
Calculo de PO, segundo equação do
trabalho mecânico;
Impressão das variáveis rotação e PO via
comunicação serial.
Figura 6 – etapas lógicas de tarefas executadas pelo software para
aquisição, armazenamento e amostragem dos valores de rotações e
PO
Para calculo da PO será utilizada relação entre a quantidade de rotações
desenvolvidas pelo CIN, e a resistência do sistema de rolamentos, representada pelo
momento de inércia do cilindro de instrumentação (MICIN), determinado por meio de
protocolo de calibração dinâmico. A partir do conhecimento dos valores das
rotações, da distância horizontal por intervalo de tempo e do MICIN, poderemos
encontrar a PO administrando a equação abaixo, derivada da relação existente entre
trabalho (t) e movimento rotacional:
( ) =
∙ ∙
1
[5]
26
Onde d é uma constante igual a 0,24 (perímetro de CIN), t é o tempo
determinado como sendo o nível de sensibilidade do sistema eletrônico, e MI
(resistência do sistema) em quilogramas por metro (Kg.m). Dessa forma, será
possível determinar a PO produzida a cada rotação do CIN ou, se for o caso, a cada
giro completo da roda traseira na própria cadeira de rodas do usuário, a partir da
relação de transmissão encontrada antes do início do teste. Para as duas condições
PO será expressa em watts (W).
27
4. RESULTADOS
Artigo 1: Especificidade de um dinamômetro para usuários de cadeiras de rodas
Autores:
Saulo Fernandes Melo de Oliveira†*, Ana Patrícia Siqueira Tavares Falcão†, José
Humberto Morales Vieira de Melo†, Afonso Augusto Guimarães Bione‡, Leonardo
dos Santos Oliveira**, Fabíola Lima de Albuquerque†*, Manoel da Cunha Costa†*
Afiliações:
*
Programa Associado de Pós-graduação em Educação Física, UPE/UFPB
†
Laboratório de Estudos em Avaliação da Performance Humana (LAPH)
**
Mestre em Educação Física. Laboratório de Cineantropometria, Universidade
Federal da Paraíba (LABOCINE-UFPB)
‡
Programador, Núcleo de Educação à Distância, Universidade de Pernambuco
(NEAD-UPE)
Correspondência:
Saulo Fernandes Melo de Oliveira. Rua Félix de Brito e Melo, n. 605, apto. 102.
Boa Viagem, Recife/PE. CEP: 51.020.260. Fones: (81)3465.9053, (81)9238.6030.
RESUMO
O presente estudo teve como objetivo verificar a especificidade de um dinamômetro
compacto para avaliação de cadeiras de rodas (DINACOM). Participaram da
investigação cinco homens saudáveis (21,2 ± 2,7 anos), que depois de informados
de todos os procedimentos para o experimento, eles foram colocados em quatro
formas diferentes de conduzir exercícios de propulsão manual em cadeira de rodas
fixado no DINACOM. O protocolo foi realizado durante 5 minutos para uma taxa de
tensão de 120% da frequência de livre escolha. Valores de freqüência cardíaca e
uma percepção subjetiva de esforço geral (PSE-G) e específico (PSE-E) foram
recolhidos no final de cada minuto. Os dados foram analisados pelo teste de
Kruskal-Wallis entre os estilos de propulsão. Não houve diferença significativa entre
as quatro maneiras de lidar com as variáveis medidas (P>0,05). Estes resultados
confirmam a especificidade do protótipo para avaliar os parâmetros cinéticos da
cadeira de rodas o desempenho do motor.
Palavras-chave: testes de esforço, biomecânica, ergonomia.
28
INTRODUÇÃO
No Brasil a população de usuários de cadeiras de rodas ultrapassa os 930 mil
habitantes 1; valor que cresce a cada dia por conta do grande número de acidentes
automobilísticos, que provocam lesões permanentes na coluna vertebral e também
amputações nos membros inferiores. Esses indivíduos reportam como sendo os
principais fatores que dificultam os seus movimentos diários: a utilização das suas
próprias cadeiras de rodas, que seriam inapropriadas em alguns casos, juntamente
às barreiras arquitetônicas e de locomoção 2.
A quebra do paradigma de locomoção por parte de usuários de cadeiras de
rodas aliada a quantidade de acidentes e lesões associadas
mecânica relacionada ao seu deslocamento
3,4
e a baixa eficiência
5,6
, torna-se a principal característica de
apoio e preocupação por parte de médicos, fisioterapeutas e profissionais de
educação física, havendo necessidade constante de adequação dos procedimentos
de análise, diagnóstico 7 e treinamento físico desses sujeitos.
Por conta da especificidade da atividade física e do movimento de propulsão
em cadeiras de rodas, alguns instrumentos foram previamente adequados e
construídos para a avaliação do desempenho físico deste público 8,9, variando desde
aparatos mecânicos adaptados à cicloergômetros
10
, até equipamentos sofisticados
usados em centros de reabilitação e pesquisa com a possibilidade de utilização da
própria cadeira de rodas dos usuários
9,11
. Contudo, os equipamentos disponíveis
pecam pelo tamanho excessivo com pressupostos ergométricos
instrumentação e uso de diversos sensores adicionais
conjunto cadeira de rodas+usuário
13
8,9
, necessidade de
12
, acréscimo de peso ao
e complexidade nas medidas inerciais que
interferem no movimento 12.
Os métodos de avaliação do desempenho em cadeiras de rodas incluem em
seus protocolos de reabilitação e treinamento com exercícios a verificação de
capacidades físicas dos sujeitos
14,15
aliados às técnicas de manobrabilidade
16,17
do
instrumento de locomoção em particular. Este conjunto de características advém da
complexa interação de fatores existentes na propulsão manual de cadeiras de rodas
11
. Sendo assim, muito embora tenhamos recursos metodológicos voltados a essas
análises, ainda é difícil a interpretação objetiva dos resultados desses testes.
29
Outro complicador atuante nessas intervenções é a característica ergométrica
dos equipamentos atualmente disponíveis, limitando a sua utilização aos protocolos
que simulam a cinemática propulsão manual em relação à sustentação do trabalho
total, ou a carga final suportada, executados por cada sujeito numa determinada
conformação física ou ergonômica dos seus instrumentos
18,19
. Este aspecto torna-
se ainda mais importante quando analisadas pessoas com grandes limitações
motoras por meio de ergômetros, podendo haver desajustes dos avaliados para
suportar as cargas mínimas impostas. Convém lembrar que esses equipamentos
possuem gradação de carga que impossibilitam pessoas com graves lesões
vencerem as resistências com a força muscular, inclusive por curtos períodos de
tempo.
Na tentativa de solucionar parte desses problemas, foi desenvolvido um
dinamômetro compacto que tem como objetivo a avaliação motora em usuários de
cadeiras de rodas, com a possibilidade de adequação da própria cadeira diariamente
utilizada, sendo direcionado à medição dos fatores relacionados à potência
produzida a partir da interação entre indivíduo e instrumento. Testes iniciais
máximos vêm identificando altos valores de reprodutibilidade, por meio de protocolos
de uma e dez propulsões máximas 20. Outro aspecto de fundamental importância em
instrumentos de medida é a especificidade do método a ser utilizado, que diz
respeito à capacidade de avaliar, com bom nível de sensibilidade, a variável que se
deseja analisar. Este pressuposto científico tem sido observado em diversos
dispositivos e metodologias voltadas à avaliação de características motoras em
usuários de cadeiras de rodas 21,22.
O estudo biomecânico da locomoção em cadeiras de rodas grande parte dos
pesquisadores se concentra nas características de movimento dos membros
superiores, levando em consideração as fases do movimento propulsivo e de
recuperação
4
. Isto se deve ao fato de atribuir-se aos níveis de stress nas
articulações dos ombros, cotovelos e punhos, que estão correlacionados aos
diversos estilos de propulsão manual em cadeiras de rodas 3. Por este motivo, a
identificação dos padrões propulsivos é objetivo de diversas pesquisas clínicas nesta
área, traduzindo-se numa vasta corrente de pesquisa e desenvolvimento tecnológico
e ergonômico na área da acessibilidade e eficiência do movimento. Estudos
anteriores, tem se utilizado de não usuários de cadeiras de rodas para caracterizar
30
as demandas fisiológicas dos diversos estilos
17,23
. Isto se faz necessário devido à
preferência pelo estilo propulsivo que pode ser encontrada em usuários experientes.
No caso do protótipo desenvolvido, até o presente momento se desconhece
as reais demandas fisiológicas impostas em protocolos de testes padronizados.
Tendo em vista a necessidade de verificar, em caráter adicional, o efeito do esforço
físico diante das características mecânicas do novo equipamento, o objetivo do
presente estudo piloto foi identificar a especificidade fisiológica do equipamento,
analisando a resposta da frequência cardíaca e de percepção subjetiva de esforço
(geral e específica) a partir de um protocolo experimental submáximo em sujeitos
não usuários de cadeiras de rodas. Pelo fato de tratar-se de um equipamento para
medição e análise em dinamometria, acredita-se que alterações realizadas no estilo
propulsivo dos sujeitos não serão suficientes para demandar esforços aeróbios
submáximos em sua utilização, sendo esta a principal hipótese do estudo.
MATERIAIS E MÉTODOS
Pesquisa
A presente investigação, que possui abordagem quantitativa e delineamento
transversal, foi devidamente aprovada pelo Comitê de Ética em Pesquisa com Seres
Humanos da Universidade de Pernambuco (protocolo nº 078/2011), e faz parte de
um projeto principal, interdisciplinar, que envolve o desenvolvimento de tecnologias
e metodologias para a avaliação do desempenho em usuários de cadeiras de rodas.
Descrições Básicas do Protótipo
Partes mecânicas: o Dinamômetro Compacto (DINACOM) é um sistema
mecatrônico desenvolvido por pesquisadores da Escola Superior de Educação
Física em parceria com o Núcleo de Educação à Distância, ambos grupos da
Universidade de Pernambuco, que tem como objetivo principal a avaliação da
potência propulsiva em cadeiras de rodas, possibilitando a utilização, por parte do
usuário, do seu próprio instrumento de locomoção e/ou treinamento esportivo. Para
acomodação do peso do conjunto sujeito+cadeira de rodas, foram conectados dois
sistemas de cilindros (Easy Scroll, Brasil) dispostos paralelamente e unidos pelas
suas extremidades pelas suas hastes de sustentação laterais. Cada sistema é
composto por três cilindros separados por duas distâncias distintas (0,1 e 0,2 m),
31
para que possam ser produzidos efeitos maiores e menores de resistência ao
rolamento no momento de sua utilização. A resistência
resistência ao rolamento constitui-se
constitui
na
força de oposição ao movimento de giro dos pneus em uma determinada superfície
24,
que é aumentada na conformação de maior distância entre os cilindros (0,2 m). O
cilindro central é considerado o cilindro de instrumentação
instrumentação (CIN), onde são
conectados dois objetos circulares metálicos para acionamento dos sensores de
rotação. Cada cilindro possui comprimento de 0,45 m, perímetro de 0,24 m e massa
1,6 kg.
(A) Dinamômetro compacto (DINACOM)
(DINACOM
Figura 1 – (A)
para avaliação da potência em cadeiras de rodas
(visão superior); (B) Voluntário em período de
adaptação ao equipamento.
Sujeitos
A amostra do estudo foi determinada por conveniência, sendo composta por 5
sujeitos do gênero masculino (21,2±2,7 anos) que não utilizam cadeiras
cadeir de rodas
usualmente, no sentido de afastar a possibilidade de recorrerem a padrões de
movimentos previamente selecionados de acordo com a preferência de utilização
25
.
Após explicação dos procedimentos experimentais, todos assinaram termo de
consentimento
to livre esclarecido e também responderam ao questionário de
prontidão para prática de atividades físicas (PAR-Q,
(PAR Q, versão 2002).
Participaram do estudo apenas aqueles que responderam satisfatoriamente
ao inquérito, que não reportaram dores, lesões ou quaisquer
quaisq
desconfortos
musculares ou articulares nos membros superiores, não relataram problemas de
saúde diversos que viessem a interferir fisiologicamente na frequência cardíaca e na
percepção subjetiva de esforço, além dos que tivessem praticado atividade física
fís
vigorosa 24h antes da sessão experimental.
32
Especificidade Fisiológica do Protótipo
Em todas as situações experimentais utilizou-se apenas a porção mecânica
do protótipo, sem aquisição dos sinais eletrônicos advindos dos sensores de
rotação. Inicialmente mediu-se a frequência cardíaca de repouso com os sujeitos
sentados por 10 minutos e realizando o mínimo de movimentos, com um dos
avaliadores realizando a medida da frequência cardíaca por um monitor eletrônico
de pulso (Polar, FS1, Finlândia) em intervalos de 30s. Ao final utilizou-se o valor
mediano de todas das medidas. Os voluntários foram analisados mediante
administração de protocolo de impulsos contínuos. Os sujeitos foram devidamente
posicionados no equipamento, utilizando para este procedimento uma cadeira de
rodas especialmente desenvolvida para prática de basquetebol, que permaneceu
inalterada para todos os sujeitos, com cambagem das rodas fixada em 0° e pressão
máxima dos pneus a 60 libras por polegada quadradas.
Figura 2 – estilos cinemáticos de propulsão manual em cadeiras de rodas; 1.
Deslizamento; 2. Semicircular; 3. Circular; 4. Looping simples; 5. Loopling
duplo.
Todos os voluntários passaram por um período de familiarização (2-3
minutos), no estilo de propulsão manual anteriormente determinado de maneira
aleatória diretamente no site www.randomized.com
26
, após explicação verbal e
visual da cinemática do movimento por parte dos pesquisadores. Cumpre destacar
que apenas 4 dos 5 estilos encontrados na literatura foram utilizados, sendo
considerados os padrões circular e semicircular como sendo um só. No último
minuto da familiarização dois avaliadores contaram visualmente o número de
propulsões executadas por cada sujeito, sendo esta a frequência livre de propulsão
(FPL) individual para cada estilo fixada em 100%. Após período de descanso (5
33
minutos) os voluntários realizaram protocolo contínuo de esforço, com frequência de
propulsão fixada em 120%FLP, com estágios de 1 minuto. Ao final de cada estágio
foi coletada a frequência cardíaca (FC) e percepção subjetiva de esforço geral (PSEG) e específica (PSE-E). A percepção subjetiva de esforço foi determinada pela
administração de escala de BORG analógica (6-20) 27. A frequência de propulsão foi
controlada por meio de metrônomo auditivo (M&M Systems, versão 2.0, Alemanha)
Análise dos dados
Para análise dos dados foi utilizado o pacote estatístico SPSS, versão 20.0.
Inicialmente, realizaram-se procedimentos exploratórios dos dados e verificação das
medidas de tendência central e variabilidade, para as três variáveis analisadas (FC,
PSE-G e PSE-E). Para comparação entre os estilos de propulsão optou-se por
utilizar teste de Kruskal-Wallis para amostras independentes. Para todas as
condições considerou-se significativo um valor de P<0,05.
RESULTADOS
As respostas fisiológicas da frequência cardíaca e da percepção subjetiva de
esforço dos sujeitos, sob as 4 condições de propulsão manual, encontram-se
demonstrados na figuras 3 e 4. Verificou-se por meio do teste de hipótese
selecionado que não houve diferenças significativas (p>0,05) entre as respostas da
frequência cardíaca, bem como em ambas as percepções subjetivas de esforço
(geral e específica), quando analisados os estilos de propulsão entre os mesmos
estágios do protocolo do esforço.
34
Frequência Cardíaca (BPM)
120
100
80
60
Deslizamento
Semicircular
Looping Simples
5 min.
4 min.
3 min.
2 min.
1 min.
~5-10min.
5 min.
4 min.
3 min.
2 min.
1 min.
~5-10min.
5 min.
4 min.
3 min.
2 min.
1 min.
~5-10min.
5 min.
4 min.
3 min.
2 min.
1 min.
0
40
Looping Duplo
Figura 3 – Respostas da frequência cardíaca nos 4 estilos de propulsão
manual em um protocolo de esforço contínuo a 120%FLP. (N=5)
No que concerne ao desenvolvimento das variáveis ao longo do tempo dos
protocolos,
percebe-se
leves
aumentos
nos
três
indicadores
de
esforço,
especialmente nos últimos minutos do exercício contínuo. Este achado é verificado
inclusive na frequência cardíaca, mesmo tendo partido, conforme se verifica na
figura 1, de valores de repouso maiores em comparação ao estilo imediatamente
anterior.
Além dos dados de frequência cardíaca e percepção subjetiva analisados de
maneira objetiva, perceberam-se por parte dos avaliadores, diferenças visuais nas
frequências de propulsão entre os cinco sujeitos, que variaram entre valores de 30 e
50 excursões/propulsões por minuto (PPM), aproximadamente, para os quatro
estilos analisados.
35
Pontos da Escala de Borg Geral
A
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
14
12
10
8
6
4
2
Deslizamento
Semicircular
Looping Simples
5 min.
4 min.
3 min.
2 min.
1 min.
~5-10min.
5 min.
4 min.
3 min.
2 min.
1 min.
~5-10min.
5 min.
4 min.
3 min.
2 min.
1 min.
~5-10min.
5 min.
4 min.
3 min.
2 min.
0
~5-10min.
Pontos da Escala de Borg Específica
B
Looping Duplo
Figura 4 – Percepção subjetiva de esforço geral (A) e específica (B) em
resposta a um protocolo contínuo de esforço nos quatro estilos propulsivos a
120%FPL. (N=5)
DISCUSSÃO
O presente trabalho pode ser caracterizado como uma quebra de paradigma
no campo da avaliação do desempenho em usuários de cadeiras de rodas. Os
equipamentos hoje em dia disponíveis para diagnose deste público têm como
36
objetivo a determinação da máxima capacidade de suportar o esforço imposto por
mecanismos de frenagem mecânica ou eletromagnética 8,9,11,28,29.
A intenção deste estudo piloto foi caracterizar a modificação do padrão
propulsivo em cadeiras de rodas que, conforme aponta Boninger et al 4, são as
principais causas de sobrecarga muscular e articular aos membros ativos durante o
movimento ocasionando, a longo prazo, problemas crônicos tais como tendinites,
inflamações ou lesões de esforço repetitivo 30.
A escolha pela verificação da frequência cardíaca e também do esforço
subjetivo pela escala de Borg, seguem os padrões encontrados na literatura para
identificação de processos adaptativos agudos comuns a esforços realizados em
instrumentos ergométricos, tais quais as esteiras rolantes
os ergômetros de cadeirantes
31
, os cicloergômetros
10
e
29
. Contudo, não foram observadas diferenças
significativas nessas variáveis em todas as condições do protocolo experimental
(tempo e estilo propulsivo).
Lenton et al
17
, avaliaram a repercussão das estratégias de propulsão e
também da frequência de impulsos sobre a eficiência mecânica, o gasto energético
e a percepção subjetiva de esforço geral, periférica e dos músculos ativos,
encontrando reduções nesses parâmetros quando comparados os grupos
experimentais e um grupo controle.
De maneira similar, Goosey-Tolfrey et al , verificaram a interação entre a
frequência e estratégias propulsivas, demonstrando que em um mesmo estilo
síncrono de manuseio as demandas de frequência cardíaca e percepção de esforço
(geral e específica) tendem a ser maiores nas frequências de propulsão mais altas, a
partir de 70 revoluções por minuto, discordando dos achados encontrados no
presente estudo.
Até o momento, não foram localizados na literatura estudos que tenham sido
conduzidos no intuito de verificar, de maneira proposital, a influência dos estilos de
propulsão em cadeiras de rodas sobre a frequência cardíaca e a percepção
subjetiva de esforço. Sendo assim, iniciativas desse tipo podem aumentar a
capacidade de tomada de decisão sobre as formas de manuseio mais econômicas e
eficientes do ponto de vista fisiológico, melhorando o seu desempenho de
locomoção diário ou esportivo.
De maneira objetiva, acreditamos que a frequência, numa frequência de
impulsos de 120%FLP, não foi suficiente para promover aumentos consideráveis na
37
frequência cardíaca na amostra estudada. Ainda assim, pudemos perceber
diferenças entre os estilos de propulsão selecionados, inclusive no que diz respeito à
percepção subjetiva de esforço nos músculos ativos, mesmo não sendo essas
diferenças estatisticamente significativas. Este mesmo comportamento também foi
observado para a percepção de esforço dos sujeitos.
Além dessa característica, a propulsão manual de cadeira de rodas acaba por
tornar-se um movimento que envolve grupos musculares de menor tamanho, e que
possuem amplitudes articulares maiores, ainda que sejam, anatomicamente,
músculos que não participam cotidianamente das ações primárias de locomoção (no
caso da amostra desse estudo). Isto pode ter influenciado a diminuição da resposta
da frequência cardíaca em consequência do esforço moderado imposto ao sistema
cardiovascular. Em decorrência de tal magnitude, percebeu-se a confirmação da
hipótese pela sensação subjetiva relatada pelos voluntários.
Dessa forma, podemos concluir que o protótipo possui características de
especificidade de sua utilização, já que a sua principal finalidade é a de analisar
variáveis cinéticas do movimento em cadeiras de rodas, principalmente a potência
propulsiva. Esta função parece ser decisiva para a não determinação de diferenças
significativas nas variáveis selecionadas de esforço físico e ergométrico.
CONCLUSÃO
Conclui-se que o estilo de propulsão parece não influenciar nas respostas da
frequência cardíaca e também no esforço percebido dos usuários em protocolo de
esforço contínuo submáximo realizado no DINACOM. Estes resultados indicam a
especificidade mecânica do equipamento para avaliação de características cinéticas
da propulsão manual em indivíduos que usam cadeiras de rodas. Sugere-se, para
estudos posteriores, testar o mesmo protocolo experimental utilizando frequências
propulsivas maiores, a partir de 130%FLP. Elencamos como principais limitações do
estudo o pouco tempo de prática por parte dos voluntários, o número de sujeitos
envolvidos nas fases do experimento e a consideração apenas da faixa de
120%FLP, apesar da manutenção das recomendações apresentadas em estudos
anteriores.
38
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41
Artigo 2: Metodologia para Calibração e sua Especificidade em um Dinamômetro
para Usuários de Cadeiras de Rodas
Saulo Fernandes Melo de Oliveira*, Afonso Augusto Guimarães Bione†, Filipe de
Freitas Lima††, Manoel da Cunha Costa**
†
Núcleo de Educação a Distância (NEAD), Universidade de Pernambuco
*
Aluno do Programa Associado de Pós-graduação em Educação Física, UPE-UFPB.
**
Professor do Programa Associado de Pós-graduação em Educação Física, UPE-
UFPB
††
Aluno de Iniciação Científica, Laboratório de Estudos em Avaliação da
Performance Humana, UPE.
RESUMO
O objetivo do presente trabalho foi verificar a reprodutibilidade e especificidade de
um sistema de calibração desenvolvido para um dinamômetro compacto em
cadeiras de rodas. O sistema possui duas partes constituintes; na porção mecânica,
o protótipo consiste em dois kits de cilindros paralelos (massa: 1,6kg; comprimento:
0,45m; perímetro: 0,24m), interligados entre si por um sistema de calibração
experimental do momento de inércia dinâmico (MI). A porção eletroeletrônica é
formada por sensores do tipo indutivo colocados lateralmente aos cilindros de
rotação e uma placa conversora analógica digital do tipo Arduino®. Os dados são
transmitidos a um computador pessoal para determinação da potência propulsiva.
Com 24h de diferença, dois avaliadores realizaram o procedimento de calibração
com incrementos de massa conhecida, em ambos os lados do protótipo. Em
seguida, 6 sujeitos saudáveis do gênero masculino (peso: 67,14 ± 4,41kg; estatura:
1,73 ± 4,41m), realizaram protocolo de sprint em máxima velocidade por 20s. Os
valores de MI determinados pelo modelo experimental foram comparados com o MI
calculado pelo modelo teórico. Da mesma forma, os valores de PO determinados
com uso do modelo experimental foram comparados com aqueles calculados pelo
modelo teórico. Os resultados da plotagem de Bland-Altman e de coeficiente de
correlação intraclasse evidenciam ótimos resultados de reprodutibilidade intra () e
interavaliadores (), em ambos lados do equipamento. O teste de hipótese confirmou
a objetividade do sistema de calibração, mostrando valores estatisticamente
diferentes aqueles de MI e PO aqueles calculados pelo modelo teórico (P<0,0001).
Conclui-se que o sistema cumpre o seu papel de calibração, mostrando-se como
uma alternativa necessária para o controle da confiabilidade dos dados obtidos em
testes com dinamometria para usuários de cadeiras de rodas.
Palavras-chave: testes de esforço, biomecânica, cadeiras de rodas, plataforma
Arduino
42
INTRODUÇÃO
Na maioria dos casos equipamentos ergométricos são utilizados para verificar
as capacidades físicas em usuários de cadeiras de rodas. Ainda que sob o enfoque
de análise em dinamometria, alguns equipamentos possuem sistemas de
incrementos de carga adicional, requerendo alterações ergonômicas dos sujeitos e
limitando sua utilização aos valores mínimos de potência ou carga de frenagem
impostas em testes de esforço, nem sempre suportadas por sujeitos de diferentes
deficiências. Nesse aspecto, a oportunização de protótipos que permitam verificar a
máxima potência produzida pelo binômio usuário+cadeiras de rodas torna-se uma
necessidade da prática na avaliação do desempenho neste público.
Do ponto de vista funcional e ergonômico, a capacidade de propulsão manual
em cadeiras de rodas constitui-se num movimento pouco eficiente
1,2
, estando
dependente das interações existentes no conjunto cadeira de rodas+usuário 3. Neste
sentido Vanlandevijck e cols. 2, em estudo clássico, encontraram baixos valores de
eficiência mecânica e alterações significativas nos padrões de propulsão manual
quando testados sujeitos experientes a partir de 1,67 e 2,22 m/s (6,01 e 7,92 km/h).
Além da velocidade, a carga externa (PO) utilizada para opor-se ao movimento
simulado de locomoção constitui-se em fator de diminuição da eficiência mecânica e
aumento do dispêndio energético relacionado à atividade. Neste sentido, a avaliação
ergonômica e funcional desse público necessita de equipamentos de possam
eliminar fatores deletérios a eficiência do movimento.
Por esses motivos, os equipamentos que permitem a utilização da própria
cadeira de rodas dos sujeitos tornam-se a melhor opção para avaliação da maior
capacidade de propulsão manual
3-5
. Análises realizadas em equipamentos
ergométricos para usuários de cadeiras de rodas permitem a verificação da máxima
capacidade de trabalho muscular, por intervalos de tempo definidos. Baseiam-se na
determinação de uma carga externa, sendo considerada a força de frenagem e
representada pelas grandezas físicas força, kilogramas ou newtons, e pelo espaço
ou tempo decorrido até vencer esta resistência que se opõe ao movimento. A partir
da relação entre essa força de frenagem, o tempo e o espaço percorrido por esta
força, obtêm-se a potência externa, ou potência resultante (eq. 1), variável que está
43
presente na esmagadora maioria dos equipamentos destinados ao treinamento e
avaliação do condicionamento físico.
= ∙
ou
=
∙
[1]
Onde f, d, t e v são respectivamente, força, distância, tempo e velocidade.
Esses indicadores também podem ser transferidos para outros equipamentos de
caráter dinamométrico ou de potência muscular. Após a determinação dessa
variável, é possível conjecturar e relacioná-la com outros indicadores relacionados
ao desempenho físico tais como a eficiência mecânica (eq. 2).
(%) =
! ∙ 100
2
[2]
Em estudos experimentais ou para desenvolvimento de novas técnicas de
exercitação é de fundamental importância a demonstração dos pressupostos
mecânicos e físicos que intervêm no movimento. Entre as grandezas que participam
do movimento a inércia (I) configura-se como uma força de característica posicional
e geométrica, sendo considerada como a possibilidade de oferecer resistência ao
movimento, quer seja este linear ou rotacional
6,7
. No plano físico, a inércia de um
corpo é representada pela relação entre massa e o tamanho dos corpos. A massa
pode ser determinada por procedimentos mecânicos ou eletrônicos de medição do
peso e o tamanho considera-se como sendo a distância geométrica entre as
extremidades do mesmo corpo. Para os movimentos rotacionais considera-se o
análogo da inércia, conhecido como Momento de Inércia (MI). Matematicamente
ambas grandezas podem ser calculadas conhecidas as dimensões e o volume dos
corpos (eq. 3 e eq. 4). A maioria dos procedimentos existentes
3,8,9
, consideram as
propriedades dos materiais que participam do movimento e, a partir da aplicação de
procedimentos matemáticos, se equalizam as forças atuantes e que freiam o seu
desenvolvimento normal.
=
, onde I é o momento de inércia e m a massa de um corpo
[3]
44
$
=%
∙
%
[4]
, onde MI é o momento de inércia, M e R2 a massa e o
raio do objeto, respectivamente.
Percebe-se então que os instrumentos devem possuir procedimentos de
calibração de acesso fácil, rápido e que considere não só as dimensões geométricas
ma também as propriedades mecânicas dos materiais envolvidos no processo.
Recentemente foi desenvolvido um equipamento compacto para avaliação da
potência em cadeiras de rodas, com o objetivo de identificar a máxima capacidade
de geração de trabalho mecânico em usuários correntes e esportivos
10
. Devido ao
baixo volume para facilitar o seu transporte, as partes que o constituem possuem
dimensões menores quando comparado com outros modelos existentes 5. Esta
característica conformacional requer um método de calibração condizente que a
objetividade e acessibilidade do novo dinamômetro. Por esses motivos, os objetivos
da presente investigação são: a) demonstrar o sistema e o método de calibração do
dinamômetro compacto; b) verificar a reprodutibilidade do referido sistema; e c)
comparar os valores de potência calculados pelos modelos experimental e teórico do
momento de inércia. Acreditamos na hipótese de que o procedimento demonstrado
neste trabalho possui boa reprodutibilidade e especificidade quando comparado ao
modelo teórico.
MATERIAIS E MÉTODOS
Sistema de cilindros para testes de esforço
Partes mecânicas: o Dinamômetro Compacto (DINACOM) é um sistema
mecatrônico desenvolvido por pesquisadores da Escola Superior de Educação
Física em parceria com o Núcleo de Educação à Distância, ambos grupos da
Universidade de Pernambuco, que tem como objetivo principal a avaliação da
potência propulsiva em cadeiras de rodas, possibilitando a utilização, por parte do
usuário, do seu próprio instrumento de locomoção e/ou treinamento esportivo. Para
45
acomodação do peso do conjunto sujeito+cadeira de rodas, foram conectados dois
sistemas de cilindros (Easy Scroll, Brasil) dispostos paralelamente e unidos pelas
suas extremidades pelas suas hastes de sustentação laterais. Cada sistema é
composto por três cilindros separados por duas distâncias distintas (0,1 e 0,2 m),
para que possam ser produzidos efeitos maiores e menores de resistência ao
rolamento no momento de sua utilização. A resistência ao rolamento constitui-se na
força de oposição ao movimento de giro dos pneus em uma determinada superfície
11
, que é aumentada na conformação de maior distância entre os cilindros (0,2 m). O
cilindro central é considerado o cilindro de instrumentação (CIN), onde são
conectados dois objetos circulares metálicos para acionamento dos sensores de
rotação. Cada cilindro possui comprimento de 0,45 m, perímetro de 0,24 m e massa
1,6 kg.
Partes eletroeletrônicas: Os dados de rotação dos cilindros são coletados
por meio de dois sensores magnéticos de rotação do tipo “reed switch”. Para
transmissão e interpretação dos sinais eletrônicos utilizou-se plataforma de
hardware e software abertos Arduino® (Arduino, Itália), especialmente programada
para interface física com o mundo externo a partir das informações advindas de
diversos meios de comunicação. A placa foi devidamente programada para leitura
dos sinais em intervalos menores que 1 segundo. Simultaneamente seus sinais são
transmitidos a um computador pessoal para amostragem e armazenamento das
informações em arquivos do tipo xlsx ou xls (Office Excel for Windows, Estados
Unidos). A comunicação entre a placa Arduino® e o Excel é realizada por meio do
software PLX-DAQ (Parallax, Estados Unidos).
46
B
A
Figura 1 – (A) Dinamômetro compacto (DINACOM) para avaliação da potência em
cadeiras de rodas (visão superior); (B) DINACOM com o sistema eletroeletrônico de
contagem, interpretação e gravação dos sinais advindos dos sensores de
movimento rotacional.
Sistema
tema de calibração e calculo da potência propulsiva: Pupo e cols
12
,
demonstraram um procedimento padronizado para verificação do momento de
inércia experimental, utilizando a relação entre aceleração rotacional, a transmissão
da energia cinética entre objetos
objetos e a resistência padrão de oposição ao movimento,
conforme procedimentos contidos nas equações
5, 6 e 7
. Um objeto de massa
conhecida é suspenso por uma haste de calibração localizada na região central do
DINACOM a uma altura de 0,45m. Após a sua liberação,
liberação, a massa mantém sua
velocidade constante até alcançar o ponto mais baixo (solo). Este objeto é
conectado por um fio de nylon de 1,0 mm (Grilon, Mazzaferro, Brasil) ao cilindro de
instrumentação, transmitindo a sua velocidade e energia cinética. Dessa forma,
considerando as equações de velocidade e energia cinética temos que:
=
2
' (
&%
%
2
)
[5]
Onde Como h é a altura, v a velocidade e w é a velocidade angular do cilindro
de instrumentação. Considerando que:
47
(=
1
!
2
%
[6]
=
[7]
&=
[8]
Substituindo os valores na equação original, podemos considerar que o
momento de inércia para o sistema de calibração organizado do DINACOM seria:
=
2
&=
1
% ' *+2,
%
-−
. /%
)
2
[9]
Simplificando os valores da equação 9, por meio de procedimentos
matemáticos obtemos o seguinte modelo matemático para determinação do
momento de inércia:
=
−
%
[10]
Onde m e R2 são a massa e o raio do cilindro de instrumentação,
respectivamente, g a aceleração da gravidade (determinada em 10m/s2) e a a
aceleração do cilindro de instrumentação no intervalo de tempo decorrido até que o
objeto toque o solo. A partir da consideração da força padronizada de oposição ao
movimento rotacional, e considerando a distância linear percorrida pelos cilindros em
cada rotação completa (0,24m), aplicando o MI nas equações que determinam o
trabalho mecânico (eq. 1) gerado a cada giro do DINACOM, temos que a potência
(em watts) pode ser determinada da seguinte forma:
( ) =
∙
∙ 0,24
[11]
Onde RPM é o número de rotações desenvolvidas pelo cilindro por minuto, MI
o momento de inércia determinado pelo sistema de calibração, 0,24 a constante
linear de distância percorrida após um giro completo do cilindro e t o tempo
decorrido de cada giro.
48
Reprodutibilidade e Especificidade do Sistema de Calibração
Para verificar a especificidade do sistema desenvolvido para calibração do
momento de inércia (MI) dos cilindros de instrumentação utilizou-se procedimento de
teste-reteste por dois avaliadores independentes. Cada pesquisador realizou o
procedimento de calibração com incremento de 10 massas conhecidas (0,01 kg).
Para cada incremento de pesos o procedimento de calibração foi repetido em
triplicata e considerado o valor de MI mediano entre as medidas e armazenamento
das informações pelo sistema eletroeletrônico. Todas as massas foram medidas
previamente cada tentativa (Marte, Brasil) em balança mecânica com precisão de
0,01 kg. Após a verificação de ambos os pesquisadores, os valores de MI
experimental foram comparados ao método teórico (eq.4) para verificação da
especificidade do método experimental desenvolvido especialmente para o protótipo.
Adicionalmente, 6 voluntários não usuários de cadeiras de rodas (67,14 ±
4,41kg; 1,73 ± 4,41m) participaram de um protocolo experimental d esforço máximo
no DINACOM. Os sujeitos tiveram as informações de massa corporal e estatura
coletados em equipamentos calibrados e segundo padronização internacional
(International Standartization of Advance Kinantropometry, 2002). Após explicação
de todos os procedimentos de coleta, os sujeitos assinaram um termo de
consentimento livre e esclarecido e concordaram em participar do estudo. Esta fase
da pesquisa está devidamente protocolizada no Comitê de Ética em Pesquisa com
Seres Humanos da Universidade de Pernambuco (n. 078/2011, CEP-UPE).
Os voluntários se posicionaram no DINACOM por meio de uma cadeira de
rodas específica para prática de basquetebol, com eixo de cambagem de 0° e
pressão dos pneus máxima fixada em 60psi, para diminuir os efeitos de resistência
ao rolamento. A cadeira de rodas foi travada no dinamômetro utilizando cintos de
segurança, com o objetivo de produzir o mínimo de movimentos laterais ou
longitudinais e manter o equilíbrio dos usuários. Após período de aquecimento de 1
minuto, os voluntários realizaram sprint de 20 segundos, a máxima velocidade de
movimentos possível. Os valores de rotação foram coletados em intervalos de tempo
menores que 1 segundo, sendo considerados para as análises apenas os 10
segundos iniciais do teste de sprint. Este procedimento está em conformidade com
49
estudos anteriores que avaliaram a potência propulsiva em usuários de cadeiras de
rodas 3,13.
Procedimentos Estatísticos
Os dados foram analisados por meio de estatística exploratória, para
verificação dos pressupostos de normalidade dos dados utilizando teste de KruskalWallis. No intuito de verificar a reprodutibilidade do sistema de calibração os valores
de MI experimental advindos de ambos os avaliadores e lados do DINACOM foram
plotados por meio dos procedimentos de Bland-Altman, com determinação dos
limites superior e inferior de concordância. Adicionalmente calculou-se o coeficiente
de correlação intraclasse tanto para os lados do DINACOM quanto para os dois
avaliadores. Para verificar a objetividade do sistema de calibração, os valores de MI
e PO experimental foram comparados por meio de teste t simples, utilizando como
parâmetros de referência o MI e a PO calculados por meio do modelo teórico
matemático. Os dados foram analisados utilizando os pacotes estatísticos SPSS
(IBM, versão 20.0, Estados Unidos) e Graphpad Prism (fabricante, versão 5.0,
Estados Unidos). Para todas as análises considerou-se significativo um valor de P ≤
0,05.
RESULTADOS
Os valores dos índices de reprodutibilidade intra e interavaliadores estão
divididos na tabela 2, que trata dos valores relativos ao coeficiente de correlação
intraclasse e na figura 5, onde estão disponíveis os gráficos produzidos conforme
procedimentos de Bland-Altman.
Tabela 1 – Índices de reprodutibilidade inter e intra-avaliadores
CCI – intra A
CCI – intra B
CCI – Inter
CCI (D-E)
CCI (D-E)
CCI-D
CCI-E
0,94*
0,92*
0,94*
0,95*
CCI: Coeficiente de correlação intraclasse; A e B: primeiro e segundo avaliadores,
respectivamente; *valores estatisticamente significativos (P < 0,05).
50
Percebeu-se valores satisfatórios e significativos tanto para os índices de
reprodutibilidade intra como interavaliadores (P<0,05). Da mesma forma, os valores
medianos de MI obtidos pelos dois avaliadores apresentaram-se significativamente
diferentes em comparação aos modelo teórico matemático (tabela 3).
Tabela 2 – Comparação dos valores de MI determinados pelo modelo
experimental proposto e pelo modelo teórico físico-matemático
Pesos
Valores de MI médios
Desvios-padrão
(kg)
(kg.m)
(kg.m)
E*
D*
E
D
0,210
0,0140
0,0155
0,0000
0,0005
0,220
0,0140
0,0152
0,0000
0,0004
0,230
0,0132
0,0148
0,0004
0,0004
0,240
0,0130
0,0140
0,0000
0,0000
0,250
0,0130
0,0140
0,0000
0,0000
0,260
0,0128
0,0140
0,0004
0,0000
0,270
0,0120
0,0133
0,0000
0,0005
0,280
0,0120
0,0130
0,0000
0,0000
0,290
0,0120
0,0130
0,0000
0,0000
0,300
0,0120
0,0128
0,0000
0,0004
0,310
0,0117
0,0122
0,0005
0,0004
E
*
D
valores estatísticamente significativos quando comparados a amostra de MI de
referência (0,0003675 kg·m2)
Quando analisados os gráficos de Bland-Altman percebe-se que vieses não
significativos para o viés (diferença média entre os métodos) intra e interavaliados,
apesar dos lados dos cilindros apresentarem MI médios diferentes entre si para uma
mesma massa deslocada. Da mesma forma, os dados de MI obtidos em ambos os
lados do DINACOM e por ambos os avaliadores encontram-se dentro dos limites de
concordância estabelecidos, em um intervalo de confiança de 95%.
51
A
B
C
D
Figura 2 – Plotagem de Bland-Altman para os valores do momento de inércia
(MI). (A) Reprodutibilidade interavaliador para o MI do lado direito; (B)
Reprodutibilidade
interavaliador para
o MI
do
lado esquerdo; (C)
Reprodutibilidade intravaliador A; (D) Reprodutibilidade intravaliador B.
Quando analisados a objetividade do sistema de calibração foram
encontradas diferenças estatisticamente significativas (P < 0,0001) entre os
valores de PO obtidos pelo DINACOM comparados aos valores de PO
calculados por meio do modelo matemático de determinação do MI (Tabela 3).
Tabela 3 – Valores de rotação e potência adquiridos pelo DINACOM e
comparação com o modelo obtido pelo método teórico de MI.
Lados
ROTACUM no DINACOM
POACUM no DINACOM (W)
D
90,50±14,90
3,04±0,50*
E
82,67±10,07
2,98±0,34*
*
Diferença estatisticamente significativa para o valor de referência (0,01 W)
52
DISCUSSÃO
O objetivo da presente investigação foi verificar a reprodutibilidade e
especificidade do método de calibração para um dinamômetro compacto
desenvolvido no intuito de medir a potência propulsiva em cadeiras de rodas. Com
base nos resultados estatísticos de objetividade e fidedignidade constaram-se altos
níveis de confiabilidade do método, demonstrando que o sistema cumpre seu papel
principal. Da mesma forma, perceberam-se diferenças pequenas no MI entre ambos
os lados do protótipo (direito e esquerdo), fato este que reforça a necessidade de
considerar o modelo experimental em detrimento do modelo teórico.
Digiovine e cols 9 encontraram valores de MI menores do que os encontrados
no atual estudo. Além deste achado, o modelo de equipamento analisado pelos
autores possui maiores diferenças entre os lados de propulsão. Ainda que as
diferenças sejam pequenas, com valores de MI abaixo de acreditamos que essas
diferenças podem influenciar fortemente os resultados obtidos pelos modelos em
ergometria e dinamometria, conforme verificado a partir da análise de objetividade
realizada no presente estudo. Isto se deve às características mecânicas e de
utilização dos sistemas de cilindros que, com base na freqüência, tipo e nível de
lubrificação existentes podem modificar fortemente a capacidade de movimento
rotacional.
Diferente dos modelos do presente estudo, bem como daquele demonstrado
por Digiovine e cols 9, Devillard e cols 3, analisando um modelo de ergômetro
adaptado a todas as cadeiras de rodas (VP-100), utilizou o peso corporal dos
sujeitos somado a massa das cadeiras de rodas como variáveis de influência na
inércia dinâmica do equipamento. Isto se deve às diferenças geométricas existentes
entre o DINACOM e VP-100, que possuem diâmetros dos cilindros de rotação
distintos, sendo o menor diâmetro mais suscetível às influências do conjunto
sujeito+cadeiras de rodas. Cabe ressaltar aqui que o modelo proposto na presente
investigação possui características de dinamometria, diferenciando-se, portanto, dos
modelos anteriormente desenvolvidos.
Keyser e cols
14
, verificaram valores satisfatórios para o coeficiente de
correlação intraclasse quando analisaram as variáveis cinemáticas da propulsão
manual em não usuários de cadeiras de rodas. Contudo, os valores foram inferiores
aqueles encontrados no presente estudo. No mesmo sentido, Theysen e cols
8
53
verificaram a confiabilidade de um novo método para determinação da carga externa
da carga externa por meio de um modelo matemático que reúne características do
conjunto usuário+cadeira de rodas. Os valores de correlação apresentaram-se
similares ao presente estudo (R2 > 0,95).
O pressuposto de confiabilidade medido por meio da reprodutibildade
constitui-se em uma das diversas características de autenticidade científica de um
método de avaliação
15
. Em se tratando de uma nova proposta de avaliação da em
usuários de cadeiras de rodas, baseada em um equipamento compacto, constitui-se
em uma necessidade premente verificar a capacidade de repetição do procedimento
por avaliadores distintos. Em nosso entendimento, o método proposto e
demonstrado na presente investigação possui vantagens importantes quando
comparados à procedimentos anteriormente descritos. As principais características
positivas do método são a não consideração de parâmetros de inércia
como a baixa complexidade dos procedimentos práticos
3,13
, bem
5,9
.
Quando comparados aos modelos descritos por Devillard (2001), o
procedimento proposto é calculado com base na quantidade de movimento
rotacional exercido pelo cilindro após o deslocamento de uma massa conhecida.
Sendo assim, a resistência ao movimento rotacional, representada pelo MI, é uma
característica de suma importância quando analisadas variáveis de força ou
potência, pois constitui-se em uma grandeza que interfere nos cálculos. A assunção
de um modelo teórico do MI poderia superestimar os valores de PO determinados
por este procedimento, já que tivemos valores de MI significativamente menores
para o modelo teórico em comparação ao modelo experimental (P<0,05). Modelos
de equipamentos que utilizam modelos teóricos têm, muitas vezes, que utilizar
recursos de correção para essas distorções; Muitas vezes baseadas no peso do
sujeito.
Por outro lado, a consideração de parâmetros mecânicos relacionados à
própria cadeira de rodas do sujeito serviria para verificar mudanças consideráveis na
fisiologia dos avaliados
16-18
. Neste caso, sujeitos que utilizassem cadeiras de rodas
diferentes poderiam ser classificados de uma mesma maneira, contudo, possuírem
ergonomia
1
de movimento e eficiência mecânica
19
distintas e não detectadas por
esses modelos. Acreditamos que a melhor forma de controlar essas alterações no
tipo de cadeira, juntamente a estratégia utilizada pelo sujeito no momento da
propulsão. Acreditamos que uma das melhores maneiras de realizar essa
54
diferenciação é termos um equipamento devidamente calibrado, com suas
propriedades inerciais conhecidas para, a partir da testagem dos sujeitos nos seus
próprios instrumentos de locomoção, traçar parâmetros a partir da energia e da
potência gerada sob diversas condições. A consideração de características da
cadeira e dos sujeitos (com exceção da massa de ambos), nos modelos
matemáticos
poderiam
negligenciar
a
interação
existente
(usuário+implemento), que sofrem influência da estratégia
padrão de propulsão
21
20
no
binômio
de propulsão, do
2
, freqüência de impulsos e da ergonomia da cadeira 16,22.
O procedimento de incremento de cargas revelou diferenças nos valores de
MI para todas as massas conhecidas. Este achado revela a relação existente entre a
transmissão da energia cinética no sistema de calibração, o que constitui uma
característica comum em sistemas de transmissão de forças. Após as análises
realizadas no presente estudo recomenda-se utilizar, nos testes de esforço
posteriores, um valor fixo de MI, para que seja o valor de calibração e correção de
possíveis diferenças que venham a ocorrer decorrentes da utilização do DINACOM e
dos níveis de lubrificação dos cilindros de instrumentação. Sendo assim,
recomendamos utilizar o valor de 0,014kg•m2, obtido com a massa de calibração de
0,240kg, visto que configura-se numa grandeza que facilita os cálculos matemáticos
além
de
apresentar desvio-padrão
de
0,000
em
todas
as
sessões
de
reprodutibilidade.
CONCLUSÃO
Com base nas análises realizadas verifica-se que o método de calibração
possui autenticidade científica quanto aos critérios de reprodutibilidade e
especificidade, quando comparados aos modelos teóricos para calculo do momento
de inércia, constituindo-se em um procedimento simples e de fácil administração na
prática da intervenção em condicionamento físico e avaliação do desempenho em
usuários de cadeiras de rodas.
55
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57
Artigo 3: Validade Concorrente de um Dinamômetro Compacto para Avaliação Física
em Cadeiras de Rodas
Saulo Fernandes Melo de Oliveira1, Afonso Augusto Guimarães Bione2, Adalberto
Veronese da Costa3, Fabíola Lima de Albuquerque1, Manoel da Cunha Costa1
1
Programa Associado de Pós-graduação em Educação Física, UPE/UFPB
2
Núcleo de Educação à Distância, Universidade de Pernambuco
3
Departamento de Educação Física
Resumo
O propósito do presente estudo foi demonstrar e validar um novo conceito de
avaliação da potência propulsiva em cadeiras de rodas. O protótipo do equipamento
foi montado utilizando dois kits de três cilindros paralelos, sob eixos distintos, para
posicionamento dos dois lados das cadeiras de rodas. Os dois lados estão fixos por
uma haste de calibração, para medição do momento de inércia dos cilindros. Os
valores de rotação são detectados por dois sensores indutivos, posicionados
perpendicularmente ao cilindro central para acionamento por um circulo de metal. Os
dados de rotação são transmitidos para uma placa analógica digital, interpretados e
armazenados em um computador pessoal. Para testar a sua validade, 21 sujeitos
saudáveis (idade: 20,9 ± 2,4 anos; peso: 68,9 ± 7,9kg; estatura: 174,0 ± 7,1m; IMC:
22,7 ± 2,5 Kg·m2), não usuários de cadeiras de rodas, participaram de um protocolo
de sprint por 20 segundos, precedido de aquecimento de 1 minuto. Os dados
adquiridos pelo protótipo de rotação de potência foram comparados a um sistema de
referência por meio de videografia de alta velocidade (240qps). Analisou-se o
coeficiente de correlação intraclasse (CCI), os critérios de concordância pelo método
de Bland-Altman e as diferenças entre os métodos por um teste t pareado.
Considerou-se significativo um P≤0,05. Os resultados mostram altos níveis de
concordância (valores dentro do intervalo de confiança adotado de 95%) e
excelentes níveis de CCI (0,99; P<0,0001), além do protótipo não apresentar
diferença significativa para a análise de vídeo para rotação (P=0,9196) e potência
(P=0,9493). Conclui-se que o equipamento proposto cumpre com os critérios
adotados para validação, constituindo-se em uma nova concepção de avaliação da
potência em usuários de cadeiras de rodas.
Palavras-chave: cadeiras de rodas, biomecânica, testes de esforço, plataforma
Arduino
58
INTRODUÇÃO
A maioria dos usuários de cadeiras de rodas utiliza as versões que
necessitam serem propelidas de maneira manual para suas atividades da vida diária
bem como para as atividades esportivas. Torna-se uma quebra de paradigma na
vida dessas pessoas, a necessidade de manter-se ativo em diversas situações com
utilização dos membros superiores em detrimento dos membros inferiores. Em todos
os casos esta modificação traz consigo diversas adaptações de nível fisiológico 1,
biomecânico
2,3
e de controle motor
4
, levando os usuários a necessidades
constantes de intervenções nas áreas da reabilitação
6,7
5
e do condicionamento físico
para suporte das cargas de trabalho impostas às articulações
8,9
e músculos que
participam, direta e indiretamente, do movimento de propulsão. Algumas lesões são
prevalentes nessa população
10
, advindas exclusivamente da utilização inadequada
da técnica propulsiva ou da ergonomia advinda da interação do conjunto
usuário+cadeira de rodas 1,11.
Do ponto de vista biomecânico, o movimento propulsivo em cadeira de rodas
pode ser dividido em fase propulsiva, onde ocorre o contato ativo do usuário no aro
de propulsão, e fase de recuperação, que vai desde a perda de contato do sujeito
até o início da fase propulsiva subseqüente. Em muitos estudos
2,12-14
, a relação
entre ambas etapas é utilizada para caracterizar o padrão técnico de utilização,
podendo estar relacionado com a predisposição para aquisição de desordens ao
nível dos ombros 5 ou até mesmo na articulação do punho 15. Muito embora
investigações anteriores tenham sido conduzidas no sentido de verificar quais as
técnicas mais indicadas para o manuseio das cadeiras de rodas, um aspecto de
maior importância, no nosso entendimento, deve ser considerado que é a natureza
ineficiente do movimento quando comparado com outras atividades de locomoção 11.
Isto ocorre devido à distribuição das forças utilizadas na fase de propulsão.
Comumente utiliza-se de recursos eletrônicos
16
ou sistemas de cilindros
17
em combinação com análises de vídeo para reconhecimento das características
dinâmicas da propulsão. Do ponto de vista cinético, há possibilidade de aquisição
das forças de pressão exercidas pelos membros superiores por meio da
instrumentação de sensores strain gauges fixados no eixo e no aro de propulsão das
cadeiras de rodas 18. A partir da derivação dos eixos de aplicação da força x, y e z, é
possível encontrar, após procedimentos de dinâmica inversa, a força resultante, em
59
direção paralela e diagonal à horizontal. Por este motivo, a única expressão da força
que é responsável pela locomoção do conjunto cadeira de rodas+usuário é
considerada como Força Efetiva (FE). Estudos prévios têm demonstrado que a FE
está relacionada com a quantidade de impulsos executados pelo sujeito e também
ao estilo empregado por cada usuário; ainda assim não há disponíveis no momento
equipamentos capazes de adquirir informações simultâneas sem que estejam
interligados a informações externas e equipamentos distintos.
Como forma de complementar as informações advindas desses sensores
estão disponíveis, em pouquíssimos centros de treinamento e reabilitação
internacionais, equipamentos que possuem a finalidade de simular sob condições
controladas a propulsão manual em cadeiras de rodas, conhecidos como
dinamômetros inerciais
17
. Ainda assim, esses modelos possuem tamanho
excessivo, calibração complexa
19
e características de incremento de cargas de
frenagem, com funcionamento similar aos equipamentos ergométricos, podendo
influenciar a forma de manuseio e contribuição ergonômica ao movimento
propulsivo.
Pelos motivos anteriormente descritos, os objetivos da presente investigação
são: a) apresentar uma nova proposta de avaliação em dinamometria para usuários
de cadeiras de rodas, de baixo custo e utilização compacta; e b) verificar a validade
do sistema de aquisição e amostragem dos dados de rotação e potência. A hipótese
do trabalho é a alta validade concorrente entre o sistema eletromecânico proposto e
um sistema convencional de aquisição de imagens de alta velocidade.
MATERIAIS E MÉTODOS
Pesquisa e Pressupostos Éticos
Esta investigação possui característica descritiva do tipo correlacional
delineamento
transversal.
Todos os
procedimentos
da
20
, sob
investigação foram
devidamente protocolizados e a pesquisa está cadastrada no Comitê de Ética e
Pesquisa com Seres Humanos da Universidade de Pernambuco (protocolo n°
078/2011), e seguiram todos os procedimentos descritos pela legislação nacional.
60
Desenvolvimento do Protótipo
Partes mecânicas: o Dinamômetro Compacto (DINACOM) é um sistema
mecatrônico desenvolvido por pesquisadores da Escola Superior de Educação
Física em parceria com o Núcleo de Educação à Distância, ambos grupos da
Universidade de Pernambuco, que tem como objetivo principal a avaliação da
potência propulsiva em cadeiras de rodas, possibilitando a utilização do seu próprio
instrumento de locomoção e treinamento esportivo. Para acomodação do peso do
conjunto sujeito+cadeira de rodas, foram conectados dois sistemas de cilindros
(Easy Scroll, Brasil) dispostos paralelamente e unidos pelas suas hastes de
sustentação laterais. Cada sistema é composto por três cilindros separados por duas
distâncias distintas (0,1 e 0,2 m), para que possam ser produzidos efeitos maiores e
menores de resistência ao rolamento no momento de sua utilização. A resistência ao
rolamento constitui-se na força de oposição ao movimento de giro dos pneus em
uma determinada superfície
21
, que é aumentada na conformação de maior distância
entre os cilindros (0,2 m). O cilindro central é considerado o cilindro de
instrumentação (CIN), onde são conectados dois objetos circulares metálicos para
acionamento dos sensores de rotação. Cada cilindro possui comprimento de 0,45 m,
perímetro de 0,24 m e massa 1,6 kg.
Partes eletroeletrônicas: Os dados de rotação dos cilindros são coletados
por meio de dois sensores de rotação do tipo indutivo (SensorBras, Brasil), com
capacidade de acionamento fixada em 60Hz pelo fabricante. Para transmissão e
interpretação dos sinais eletrônicos utilizou-se plataforma de hardware e software
abertos Arduino® (Arduino, Itália), especialmente programada para interface física
com o mundo externo a partir das informações advindas de diversos meios de
comunicação. A placa foi devidamente programada para leitura dos sinais em
intervalos menores que 1 segundo. Simultaneamente seus sinais são transmitidos a
um computador pessoal para amostragem e armazenamento das informações em
arquivos do tipo xlsx ou xls (Office Excel for Windows, Estados Unidos). A
comunicação entre a placa Arduino® e o Excel é realizada por meio do software
PLX-DAQ (Parallax, Estados Unidos).
Determinação da Potência Propulsiva: Para determinação da potência
propulsiva utilizou-se relação entre carga e movimento rotacional, bem estabelecida
na literatura científica da área 22:
61
=
∙ ∙2
[1]
Onde, Kg representa a carga de frenagem e oposição ao movimento
suportada pelo indivíduo, d a distância horizontal percorrida pelo cilindro de
instrumentação, n o número de rotações executadas por minuto (RPM) e t o tempo
verificado para percorrer a distância horizontal. Cumpre destacar a diferença entre o
conceito existente no protótipo e os protocolos de ergometria, que diz respeito ao
suporte das cargas de frenagem, que no caso dos procedimentos em dinamometria,
são definidas como sendo a capacidade de produção do máximo de carga externa
(força, kilograma-força, newtons e potência) pela ação dinâmica ou isométrica das
forças musculares. Sendo assim, a expressão matemática que define ambos os
métodos de mensuração são similares, contudo, para efeitos de dinamometria, o
diferencial a ser adotado é a definição da carga externa que o sujeito deverá vencer
para produção de potência. A carga externa, representa a força que opõe-se ao
movimento rotacional ou linear.
Em condições ideais de locomoção apenas as forças inerciais que atuam no
movimento interferem na eficiência do gesto motor, além das condições fisiológicas
dos sujeitos 11. A grandeza física que define a inércia em movimentos rotacionais é o
momento de inércia (MI), análogo do movimento linear, sendo considerado, nesses
casos, a força de oposição do movimento rotacional
23,24
. Optamos por desenvolver
um mecanismo de calibração utilizando o momento de inércia (MI) em oposição à
carga em kilogramas (Kg), conforme método descrito por Pupo
25
. Um objeto de
massa conhecida, ligado a um dos cilindros por um fio de nylon inextensível, é
erguido a uma altura de 0,45 m, e liberado em seguida. A força dinâmica da sua
massa movimentando-se em relação ao solo é transmitida diretamente ao cilindro
que giram até o momento de sua estabilização. Com base no tempo transcorrido
para que todo o fio seja desenrolado do cilindro, é possível calcularmos o momento
de inércia dinâmico do cilindro (equação 2) e, em seguida, substituirmos este valor
na equação para determinação da potência propulsiva (equação 3).
62
[2]
[3]
A
(A) Sistema de cilindros paralelos, para
posicionamento e suporte de peso;
B
(B) Sistema eletromecânico de contagem,
calculo
e
armazenamento
das
informações de rotação e potência;
(C) Sistema
de
calibração
para
determinação do Momento de Inércia
C
dos cilindros de instrumentação.
Figura 1 – Protótipo do dinamômetro compacto
Características
cterísticas da amostra e procedimentos pré-paticipação
pré
A amostra de voluntários utilizada na presente investigação foi constituída por
21 sujeitos saudáveis do gênero masculino (idade: 20,9 ± 2,4anos; peso: 68,9 ±
7,9kg;; estatura: 174,0 ± 7,1m; IMC: 22,7 ± 2,5Kg•m2).
2,5 •m2). Os voluntários recrutados
eram todos não usuários de cadeiras de rodas, respeitando as orientações definidas
em estudos anteriores
teriores
26
. Como critérios de inclusão nos procedimentos
experimentais consideraram-se
consideraram se os seguintes: a) não estarem sob supervisão médica
ou tratamento de saúde específico que não permitisse a participação em
procedimentos de máximo esforço; b) reportarem dores ou desconfortos nos MMSS
que fossem incapacitantes para a participação e protocolos de esforço físico; c) não
possuírem idade inferior a 18 anos; d) serem do gênero masculino. Foram excluídos
das coletas e das análises os sujeitos que apresentassem algum comprometimento
nos MMSS durante os procedimentos de coleta. Após a coleta dos dados
antropométricos, cada sujeito foi posicionado em uma cadeira de rodas padronizada,
com eixo de cambagem fixado em 0° (zero grau) e pneus pré-calibrados
pré calibrados em pressão
63
máxima (60psi), a fim de evitar possíveis efeitos de frenagem indesejados durante
os testes
21
. Após posicionamento da maneira mais confortável possível, o conjunto
cadeira de rodas+sujeito foi devidamente fixado no protótipo com faixas inelásticas,
no sentido de evitar possíveis deslocamentos laterais ou longitudinais que pudessem
desequilibrar os voluntários.
Protocolo de validação do protótipo em sujeitos saudáveis
O protocolo de validação seguiu o princípio do máximo estresse que pudesse
ser gerado no sistema de aquisição e interpretação dos dados eletroeletrônicos.
Após todos os procedimentos preparatórios os sujeitos passaram por um período de
1 minuto de aquecimento e familiarização ao protótipo, com uma freqüência de
propulsões confortável escolhida a critério do próprio avaliado. Após este período os
sujeitos foram orientados a executarem um sprint na maior velocidade de
movimentos possíveis num intervalo máximo de 20 segundos. Em ambos os
momentos (aquecimento e sprint) a estratégia de propulsão selecionada foi
síncrona, onde há o movimento bilateral simultâneo dos lados de propulsão.
Coleta de dados e Sistema de Referência Real
Durante o protocolo de validação o sistema eletroeletrônico foi acionado para
coleta dos sinais simultâneos de rotação pelos sensores direito e esquerdo. Antes
do início do teste os sensores foram posicionados no ponto zero, considerado
quando os leds de indicação estavam acionados (ligados). Este procedimento foi
repetido em todas as situações. Os dados de rotação foram imediatamente
armazenados em planilhas Excel para posteriores transformações em potência (PO),
utilizando o modelo matemático demonstrado na equação 3. Os valores de rotação
adquiridos pelo protótipo foram comparados a um sistema mecânico de referência
que coletou simultaneamente a rotação real por meio de videografia (Sansung
WB2000, Japão) a uma velocidade de aquisição de imagens fixada em 240 quadros
por segundo (240qps), com uma câmera de vídeo posicionada na região posterior
do dinamômetro a uma distância que permitisse o reconhecimento de ambos
cilindros do dinamômetro ao mesmo tempo (direito e esquerdo). Para orientação dos
64
pesquisadores na análise dos vídeos, fixaram-se marcadores reflexivos nos cilindros
de instrumentação e na região lateral do dinamômetro para identificação do exato
momento das rotações completas. Os arquivos de vídeo foram analisados utilizando
o software livre VLC 2.0.1 Twoflower, versão para Windows, (disponível em
<www.videolan.org>, acesso em 18 nov. 2012). Para sincronização entre os tempos
do vídeo e do dinamômetro utilizou-se procedimento matemático de divisão do
tempo dos vídeos pela proporcionalidade existente entre o tempo real e o tempo de
filmagem transformado, conforme equação [5].
3
4 =
3
8
4
!
[5]
Onde TR é o tempo real após correção pela velocidade de aquisição de
imagens (240qps), TVd é o tempo do vídeo bruto analisado pelos pesquisadores e
“8” é a constante de correção tendo em vista as diferenças de aquisição dos sinais
pelos dois procedimentos (240÷30). Para comparação dos valores reais (vídeo) e
experimentais (protótipo) considerou-se o número de rotações (ROT) e a potência
(PO) acumulados nos 10 primeiros segundos do protocolo, considerando o intervalo
de tempo necessário para alcance da máxima velocidade de sprint em protocolos
específicos para usuários de cadeiras de rodas 27.
Análise Estatística
Primeiramente os dados foram analisados quanto a sua normalidade por meio
do teste de Shapiro-Wilk, com verificação das medidas de tendência central e
variabilidade. Para verificação dos pressupostos de validação concorrente utilizou-se
os procedimentos de plotagem de Bland-Altman, com intervalo de confiança de 95%,
e verificação dos limites de concordância e significância dos possíveis vieses entre
protótipo de sistema de referência por meio do teste U de Mann-Whitney, devido a
não observação dos critérios de normalidade dos dados. Ainda neste sentido, como
critério para observação da proporcionalidade entre ambas medidas realizou-se
verificação do coeficiente de correlação intraclasse (CCI). Como complemento e
para definição da objetividade das medidas utilizou-se teste t pareado entre as
65
medidas do protótipo e do sistema de referência. Os dados foram analisados
mediante utilização dos softwares SPSS versão 20.0 e GraphPad Prism versão 5.0.
Para todas as condições de análise foi estabelecido um valor de P significativo
menor ou igual a 5% (P≤0,05).
RESULTADOS
A figura 2 contém as informações de confiabilidade e autenticidade científica
para o protótipo, quando comparado com o sistema de referência. Observa-se que
todos os valores encontram-se dentro dos limites de concordância estabelecidos
pelo método com um intervalo de confiança de 95% para ambos lados do protótipo.
Os valores dos viéses para ambas as variáveis (rotação e potência) encontraram-se
não significativos com base no teste de hipótese para amostras de referência
(P>0,05).
A
B
CCI=0,99
*
C
D
CCI=0,99
*
Figura 2: Plotagem de Bland-Altman para os valores de rotações e potência
acumuladas em 10s de Sprint, nos lados direito e esquerdo do protótipo. (A)
Rotações acumuladas no lado direito; (B) Rotações acumuladas no lado
esquerdo; (C) Potência acumulada no lado direito; (D) Potência acumulada no
lado esquerdo. (N=21).*P<0,001
66
Ainda sob o enfoque da validade concorrente, os valores obtidos do
coeficiente de correlação intraclasse apresentam-se como sendo excelentes
(maiores de 0,9), com valores significativos, tanto para os dados de rotação
quanto de potência em ambos os lados do protótipo. De maneira semelhante,
não há diferenças estatisticamente significativas quando analisados o número
de rotações e a potência, ambos acumulados após 10s de protocolo de
máxima velocidade de sprint, conforme dados contidos na figura 3.
100,00
90,00
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
B
0,25
P=0,9196
73,00
72,67
Potência acumulada em 10s
Rotações acumuladas em 10s
A
P=0,9496
0,20
0,15
0,10
0,18
0,17
POREAL
PODINO
0,05
0,00
ROTACUMReal
ROTACUMDino
Métodos
Métodos
110,00
100,00
90,00
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
D
0,25
83,57
83,57
Potência acumulada em 10s
Rotações acumuladas em 10s
C
0,20
0,15
0,10
0,20
0,20
POREAL
PODINO
0,05
0,00
ROTACUMReal
ROTACUMDino
Métodos
Métodos
Figura 3: valores médios e desvios-padrão de rotação e potência para ambos
os métodos de análise. (N=21)
67
DISCUSSÃO
A presente investigação teve como objetivo o desenvolvimento e a validação
de um novo equipamento destinado a medição e avaliação da potência propulsiva
em usuários de cadeiras de rodas. Trata-se de um novo conceito em dinamometria
para este grupo de pessoas, tendo em vista suas características ergonômicas e
funcionais que são de extrema importância para a prescrição, controle e reabilitação
em programas de treinamento e condicionamento físico. Além dessas vantagens,
diversas modalidades esportivas apresentam-se como tendo altas correlações com
a potência propulsiva 28.
Um aspecto de particular interesse na literatura científica sobre avaliação do
desempenho diz respeito à autenticidade científica dos métodos e técnicas
disponíveis em diversas áreas
29
. Ainda assim, quando se trata de testes e
protocolos que objetivam a avaliação funcional em sujeitos deficientes, a validade
dos dados é componente fundamental para dispor aos profissionais informações
acuradas sobre fenômenos relativos à ergonomia e eficiência do movimento. Com
isso, o conhecimento das reais condições científicas dos equipamentos possibilita
aos avaliadores a tomada de decisão segura, sem que o diagnóstico seja
interpretado a partir de medidas abaixo ou acima dos valores reais.
No presente estudo, optou-se por utilizar o método de Bland-Altman
30
, como
sendo a principal ferramenta de verificação dos requisitos de validade e
confiabilidade das informações. O referido processo estatístico possibilita analisar
ambos métodos simultaneamente, com a definição limites de concordância superior
e inferior. Notou-se que, em 95% do intervalo de confiança os dados de ambos os
sensores de movimento (direito e esquerdo) encontram-se dentro dos limites de
concordância determinados pelo método. Além desse indicador, verificou-se que,
para o sensor do lado direito, o viés encontrado não apresentou diferença
estatisticamente significativa quando analisado o teste de hipótese (P>0,05).
Ainda assim, percebeu-se que o sensor de lado direito apresentou, em dois
sujeitos, valores de rotação abaixo do real, estando com diferenças de até 2
rotações. Algumas hipóteses podem ser relacionadas para explicar esse fenômeno.
Primeiramente trata-se de um protótipo de equipamento, que possui o sistema de
suporte de carga (sujeito+cadeira de rodas) e do sistema eletroeletrônico de
contagem e verificação da potência. Especificações como o console para acesso ao
68
dinamômetro e a plataforma para acomodação das rodas dianteiras das cadeiras
ainda precisam ser modeladas de acordo com a necessidade de cada sujeito. Nas
sessões experimentais, este apoio foi realizado utilizando-se plataformas adaptadas
e este fator, sem dúvida alguma, tornou e equilíbrio e a movimentação dos sujeitos
no momento dos testes um pouco dificultado.
Outro detalhe de especial importância diz respeito aos conectores existentes
entre os sensores de movimento indutivos e as hastes laterais do equipamento.
Conforme especificações físicas e mecânicas desses sensores, a distância mínima
de acionamento é de 0,01m, com a capacidade de acionamento e detecção dos
sinais eletrônicos. Levando em consideração a possibilidade de vibrações
decorrentes da propulsão manual dos sujeitos e a pequena distância de
acionamento existente para funcionamento do sensor, essas interferências podem
ser responsáveis pela perda de um número pequeno de sinais. Como limitação da
presente investigação apontamos a não apresentação de um console que permita
uma menor vibração em testes de esforço. Para as próximas versões do protótipo
serão propostas a utilização de materiais de sustentação que possam sofrer
menores influências de vibração durante os testes. Em se tratando de testes com
pessoas que utilizam a cadeira de rodas usualmente esta seria uma solução
necessária para evitar erros de medida maiores.
Em se tratando dos valores de potência (W), podemos verificar quantidades
menores quando comparados com outros estudos
27,31,32
. Isto é caracterizado pelas
diferenças existentes nos sistemas de verificação da força propulsiva e da potência,
que nos modelos sugeridos por Devillard (2001) e Faupin (2008), utilizam-se de
sensores de torque diretamente nos eixos do ergômetro, além de utilizarem sistemas
de incremento de cargas de frenagem eletromagnética. Este processo de utilização,
somado ao peso do sujeito e a inércia proporcionada pelo arcabouço cilíndrico, gera
maiores valores de PO quando comparados ao protótipo validado nesta
investigação. Vale ressaltar, contudo, as diferenças encontradas entre o protótipo
sugerido e os equipamentos existentes até o momento, que têm como principal
característica a imposição de uma carga que freia o movimento propulsivo,
requerendo, dessa maneira, adaptações do avaliado no momento dos testes. A
proposta do equipamento descrito nesse estudo é realizar o caminho inverso,
medindo, portanto, a maior capacidade de geração de potência a partir do esforço
69
padronizado e de possíveis alterações que possam ser provocadas no binômio
usuário+cadeira de rodas.
Outros modelos de dinamômetros, como o descrito por Shimada e Cooper
(1995), e demonstrado por Digiovine (2001), possuem métodos de calibração
dispendioso e complexo, utilizando-se de instrumentação de células de carga para
verificação das forças envolvidas no movimento rotacional e tacogeradores que
medem a quantidade de movimento e a potência dos cilindros. O mecanismo
desenvolvido neste trabalho é baseado na transmissão de energia potencial e
cinética, a partir da queda livre de uma massa conhecida
25
. Este procedimento
permite mais agilidade ao processo de avaliação, podendo ser realizado repetidas
vezes e com avaliadores diferentes, sem a necessidade de treinamento demasiado.
Convém ressaltar que os valores de momento de inércia encontrados no presente
estudo divergem daqueles propostos em estudos anteriores 19.
O presente estudo limitou-se a avaliação de não usuários de cadeiras de
rodas. Este procedimento esteve de acordo com estudos anteriores
26
, que
legitimam a preferência por pessoas não deficientes pelo fato de estarem menos
suscetíveis a padrões pré-determinados de propulsão manual, necessitando
alterações significativas das estratégias de manuseio preferenciais para cada
sujeito. Outro aspecto de deve ser considerado é a necessidade de condições ideais
para as filmagens em alta velocidade, que requerem iluminação suficiente para
corrigir possíveis quedas de resolução das imagens. Essas condições puderam ser
alcançadas, com amostra significativa, apenas no laboratório. Sendo assim, pôde-se
perceber excelentes resultados de validação com base nos parâmetros traçados
anteriormente (CCI e Plotagem de Bland-Altman). A partir desse momento a
pesquisa deve concentrar-se na resolução dos protocolos mais indicados para cada
deficiência, nível de atividade física ou modalidade esportiva, adequando a avaliação
da potência propulsiva às demandas de esforço e necessidades de eficiência
individuais e de grupos distintos.
70
CONCLUSÃO
Conclui-se que o protótipo proposto possui validade científica necessária para
avaliação em praticantes de esporte ou pessoas sedentárias, ambos usuários de
cadeiras de rodas. Sendo assim, propomos que estudos posteriores sejam
realizados no sentido de verificar os melhores protocolos de esforço condizentes
com o tipo de cadeira de rodas, grau de deficiência física e experiência na utilização
da cadeira de rodas, no sentido de identificar as condições mais eficientes de
desempenho físico e ergonômico.
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73
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A organização do presente trabalho objetivou reunir os três estudos principais
a partir do desenvolvimento de um novo equipamento destinado à avaliação da
potência propulsiva em usuários de cadeiras de rodas. Os principais componentes
característicos de validade científica em métodos e técnicas de avaliação foram
contemplados (especificidade, reprodutibilidade e validade). Sendo assim, podemos
verificar que o dinamômetro proposto, a partir de lacunas existentes na literatura,
cumpre as necessidades de utilização e reprodução dos testes em usuários de
cadeiras de rodas correntes.
Contudo, consideramos como a principal limitação do estudo a utilização de
um protótipo com imperfeições no que concerne ao arcabouço de carenagem para
suporte do peso do binômio usuário+cadeira de rodas. Acreditamos que versões
mais aprimoradas do dinamômetro, no sentido de tornar o aspecto de sua utilização
mais amigável aos usuários e que interfiram ainda menos no equilíbrio e a
estabilidade durante testes de esforço.
74
6. CONCLUSÃO GERAL
No que concerne a especificidade e reprodutibilidade do equipamento e seu
sistema de calibração evidenciou-se excelentes valores, comprovando a sua
utilização por avaliadores diferentes e dias diferentes; finalmente o protótipo
idealizado possui confiabilidade científica quando analisadas as suas validade e
objetividade, utilizando como referência do mundo real a videografia de alta
velocidade, sendo possível a utilização em diversos indivíduos que utilizem cadeiras
de rodas.
Trabalhos posteriores devem ser realizados no sentido de desenvolver
protocolos específicos para cada modalidade esportiva, tipo de atividade física e
experiência na utilização de cadeiras de rodas, no sentido de proporcionar critérios e
normas de avaliação do desempenho mais próximos à realidade ergonômica e de
esforço físico a cada usuário.
75
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