ANÁLISE BIOMECÂNICA DAS FASES DA MARCHA POR ACELERÔMETROS

DAYARA LACERDA BORGES MUNIZ¹, MÁRIO CESAR DE ANDRADE² ¹ Graduanda em Educação Física pelo Centro de Ciências da Saúde e do Esporte da Universidade do Estado de Santa

Catarina

² Mestre em Ciências do Movimento Humano pela Universidade do Estado de Santa Catarina e Prof. Efetivo no

Departamento de Educação Física do Centro de Ciências da Saúde e do Esporte na Universidade do Estado de Santa Catarina

RESUMO A marcha tem sido estudada em diversos aspectos por se tratar de um movimento comum ao ser humano, mas ao mesmo tempo complexo. Os acelerômetros são equipamentos que estão sendo utilizados para descrição do impacto, assim como, na descrição da marcha em análises biomecânicas. A descrição de cada fase do ciclo da marcha é importante principalmente para a reabilitação de marchas patológicas. Este estudo investigou o uso de acelerômetros na identificação dos eventos da marcha através de uma pesquisa bibliográfica em base eletrônica. Foram encontrados métodos que utilizaram os acelerômetros entre outros equipamentos na metodologia. Futuros estudos podem contribuir para a padronização de um local ideal de fixação dos acelerômetros para obtenção de uma base de dados para estudos comparativos. PALAVRAS-CHAVE: Biomecânica, marcha, acelerometria.

1 – Introdução

A marcha humana utiliza uma sequência de repetições de movimento dos membros para mover o corpo para frente enquanto, simultaneamente, mantém a postura estável. A marcha é dividida em dois períodos, apoio e balanço, sendo o apoio o termo utilizado para designar todo o período durante o qual o pé está em contato com a superfície [1]. Nas atividades locomotoras, a quantificação da aceleração permite a avaliação do equilíbrio, bem como a transmissão do impacto nos segmentos corporais. Os padrões da acelerometria, bem como os picos de aceleração, são utilizados para identificar a marcha normal e a marcha patológica [2].

A acelerometria é um método de análise cinemática do movimento humano. Em análises biomecânicas permite mensurar as acelerações provocadas e sofridas pelo corpo humano. Em grande parte dos estudos feitos, a acelerometria é utilizada como

instrumento para mensurar a atividade física ou o impacto em estruturas do corpo humano em certos movimentos [3].

Atualmente, existem diversos benefícios em utilizar o acelerômetro como instrumento para avaliar o movimento: o baixo custo ao ser comparado com os equipamentos mais utilizados, o teste não ser restrito somente ao ambiente laboratorial, o acelerômetro ser um instrumento pequeno que quase não interfere na caminhada do participante e a variedade de modelos com diferentes sensibilidades para aquisição [4].

É importante compreender melhor o fenômeno dos aspectos biomecânicos da vibração humana a fim de identififcar os benefícios potenciais ao treinamento de força e potência, bem como, ao mesmo tempo, considerar e prevenir os riscos potenciais [5]. O presente estudo teve como objetivo reunir artigos científicos que identificam cada fase do ciclo da marcha nas curvas apresentadas como resultado obtido por acelerômetros. O

estudo foi realizado através de uma pesquisa bibliográfica em base eletrônica de dados, limitando a busca a artigos publicados nos últimos 15 anos, referentes a pesquisas ou estudos clínicos. 2 – Conceitos 2.1 - Marcha humana

A manutenção da vida e o instinto de sobrevivência, como a procura por alimento e a fuga de predadores, inclui a locomoção como um componente essencial [6]. Diferentes caracterizações da marcha humana foram feitas por autores diversos:

A marcha humana é um meio natural do corpo para se deslocar de um local para outro [1]. A progressão bípede envolve sequências alternadas nas quais o corpo é apoiado por um membro que está em contato com o solo e depois outro. Ela compreende dois aspectos, a caminhada e a corrida, sendo diferenciados pela percentagem, em cada ciclo, em que o corpo é apoiado pelo contato do pé com o solo [7].

2.2 - Ciclo da marcha

O ciclo de marcha é definido como o intervalo de tempo durante o qual uma sequência de eventos sucessivos e regulares se completa, como o toque e o desprendimento do calcanhar [7,8].

Cada ciclo representa uma passada, sendo dividido nos períodos de apoio e balanço [1,8]. O apoio é o período em que o pé está em contato com a superfície de suporte, sendo este dividido em duplo suporte inicial, apoio simples e duplo suporte [7]. O período de balanço é iniciado quando os dedos se desprendem da superfície de suporte [1,8]. Durante cada passada são realizadas atividades funcionais básicas como aceitação do peso, apoio simples, e avanço do membro [1]. A aceitação do peso ocorre com o contato inicial e a resposta à carga. O

contato inicial é o instante em que o pé toca o solo e encerra-se quando todo o pé apóia-se no solo. A resposta à carga é a fase em que o centro de gravidade está na posição mais baixa. Este período inicia com o contato inicial no solo e continua até o outro pé começar o balanço, corresponde ao duplo apoio sendo o período de estabilidade durante a marcha, pois os dois pés estão em contato com o solo [1,9-10]. O apoio simples é dividido em apoio médio e apoio terminal. O apoio médio começa com a retirada dos dedos da perna contralateral e termina quando o centro de gravidade alinha-se acima do pé, atingindo sua posição mais alta. O apoio terminal inicia quando o centro de gravidade está sobre o pé de suporte e termina quando o outro pé toca no solo [9-10]. A preparação para o balanço acontece com o avanço do membro. Este período possui quatro fases: pré-balanço, balanço inicial, balanço intermediário e balanço terminal. O pré-balanço representa o final do apoio e corresponde ao segundo duplo apoio, começa com o contato inicial do membro contralateral e termina com a retirada dos dedos ipsilaterais. O balanço inicial começa com a saída do pé do solo e termina quando o membro em balanço está oposto ao apoio do pé contralateral. O balanço intermediário é a segunda fase do balanço, que termina quando o membro está à frente do outro membro e a tíbia assume orientação vertical, a fase final do ciclo é o balanço terminal, e termina quando o pé toca o solo [9-11]. 2.3 - Acelerômetros

Os acelerômetros são instrumentos que medem a aceleração aplicada em um ou mais eixos. Há uma gama de diferentes transdutores, estes incluem cristais piezoelétricos, sensores piezoresistivos, transdutores de forças, sensores

eletrônicos e acelerômetros piezoelétricos com capacitância variável [3]. O mecanismo básico para medir a aceleração é descrito nos termos de uma massa que está sobre os princípios da Lei de Hooke (F=kx) e da Segunda Lei de Newton (F=ma) [4]. O mecanismo dos acelerômetros se faz a partir da movimentação do segmento ou local onde o sensor foi fixado, que com sua inércia em relação a uma base fixa no interior é detectada e transformada em um sinal elétrico [12]. 3 - Revisão da literatura

Ao longo dos anos, a utilização dos acelerômetros para analisar a marcha humana tem sido ampliada. Atualmente, vários estudos têm utilizado diferentes tipos de acelerômetros fixados em várias partes do corpo para identificar as fases do ciclo da marcha humana.

Em 1990 [13], as fases da marcha foram identificadas atráves dos sinais de acelerômetros sísmicos fixados na região lateral da perna logo abaixo do joelho. No estudo houve a identificação das fases do ciclo da marcha de acordo com a aceleração obtida. O estudo apresentou o gráfico abaixo onde há a classificação de quatro fases: 1-apoio; 2-retirada do calcanhar; 3-balanço; 4-toque do calcanhar no solo.

Fig.1. Módulo da aceleração equivalente ao nível da articulação do tornozelo, calculado a partir de quatro sinais dos acelerômetros durante a caminhada de um indivíduo saudável, em

combinação comum com um rastreamento que mostra as quatro fases da marcha obtidas com sensores no calcanhar e no primeiro metatarso [13].

No ano de 2000 [14], utilizaram três acelerômetros fixados na tíbia para identificar as principais fases do ciclo da marcha durante uma caminhada, estando um acelerômetro (a) na posição vertical e os outros dois (b e c) na horizontal. A identificação das fases da marcha foi obtida por comparação dos dados dos acelerômetros com os dados dos sensores resistores de força fixados na palmilha dos sapatos.

Fig. 2. O primeiro gráfico representa sinais não filtrados dos acelerômetros e o segundo com sinais filtrados, a linha pontilhada representa o acelerômetro (a), a linha contínua o acelerômetro (b) e a linha tracejada o acelerômetro (c). O terceiro gráfico representa as cinco fases do ciclo: resposta à carga (LR), apoio médio (MS), apoio terminal (TS), pré-balanço (PS) e balanço (SW). A escala de tempo é coincidente no eixo das coordenadas de cada gráfico [14].

As fases da marcha foram identificadas através de um acelerômetro fixado na região lombar dos indivíduos em um estudo em 2002 [15]. Foram selecionados para o estudo, 282 indivíduos saudáveis, onde foram analisadas diversas variáveis além das fases da marcha, como frequência da passada, simetria dos passos, regularidade e harmonia vertical, para criar um banco de dados. A identificação das fases foi representada no gráfico da aceleração vertical.

Fig. 3. O padrão da aceleração vertical repete a cada ciclo da marcha com uma similariadade de eventos entre o passo com o membro direito e esquerdo [15].

Em 2005 [16], as fases de apoio e

balanço foram obtidas com o uso de acelerômetros fixados na coxa e um sensor preso no calcanhar. Dessa forma foi possível mensurar o ciclo da marcha de pacientes que sofreram de derrame, e sugerir que se poderia melhorar a reabilitação com estimulação elétrica funcional.

Já em 2008 [17], acelerômetros identificaram com sucesso diferentes eventos da marcha. O sistema utilizado foi composto por três acelerômetros com giroscópios fixados na coxa, na tíbia e no pé dos indivíduos. O objetivo do estudo era verificar se a identificação dos eventos da marcha poderia melhorar a reabilitação

de pacientes com ausência de dorsiflexão durante a marcha. Atráves dos sensores foi possível verificar as fases de apoio e balanço.

Fig. 4. Ilustração gráfica dos parâmetros de medição de cada ciclo da marcha e da diferença de tempo entre os pontos de mudança para a fase seguinte. A linha pontilhada vertical representa a transição da fase de apoio a fase de balanço (TPmáx/TPmín = ponto de mudança; Δt = diferença de tempo entre o ponto de mudança de fase; St = fase de apoio; Sw = fase d balanço)[17].

As fases da marcha foram descritas através de quatro acelerômetros fixados no pé, na perna e na coxa e dois resistores de força na sola dos pés [18]. A autora criou um código através da análise das forças de reação do solo com os ângulos do quadril e joelho, juntamente com o ângulo da coxa versus a vertical. Dessa forma foi possível criar o gráfico a seguir.

Fig. 5. Sinais processados e codificados para dois ciclos da marcha, onde: TY – dados no eixo Y da coxa; SY – dados no eixo Y da perna; FX e FY – dados no eixo X e Y do pé [18].

A verificação do modelo foi feita a

paritr da comparação dos tempos obtidos com os acelerômetros com os tempos obtidos pelos resistores de força fixados nos pés. A correlação obtida foi maior que 90%, indicando que as fases da marcha estão dentro do intervalo de variabilidade da marcha normal.

Outro estudo realizado em 2009 [19], mensurou as fases onde há o toque do calcanhar (“heel strike”) e a retirada do pé do solo (“toe off”). Houve a fixação dos acelerômetros em três pontos distintos, na região lateral logo acima do maléolo e da panturrilha, e na região anterior, na articulação do tornozelo. O estudo retratou que o método possui precisão e confiabilidade, sendo o mecanismo uma forma de controlar o comportamento da articulação do joelho protético, possibilitando o desenvolvimento de uma marcha mais natural de pacientes amputados.

Fig. 6. Valores encontrados no eixo Y com o acelerômetro posicionado na região anterior da

articulação do tornnozelo [19].

Ainda em 2009, um estudo comparou a marcha de pessoas com Parkinson com a marcha de indivíduos saudáveis, pelo uso de acelerômetros na perna para identificar a diferença nos sinais de cada marcha [23].

No ano de 2010, um estudo de revisão reuniu diversos trabalhos sobre métodos de análise e identificação dos eventos da marcha em sistemas ambulatoriais, e criou uma compilação de gráficos que identificam o toque/retirada do calcanhar no solo [12].

Fig. 7. Ilustração dos sinais obtidos pelos acelerômetros nos três eixos de uma marcha normal. Fases de balanço (SW), apoio (ST), contato inicial (IC) e contato final (EC) [23].

Fig. 8. A ilustração demonstra os dados da cinemática do giroscópio e do acelerômetro em diferentes posições corporais em relação aos sinais de contato do pé. Os sinais são uma compilação a partir de diferentes artigos a fim de enfatizar as características utilizadas por diversos algorítmos. Os dados da aceleração são demonstrados nos componentes da vertical e horizontal do plano sagital [12].

Outro estudo do mesmo ano teve como objetivo desenvolver e verificar o uso de um sistema de análise do ciclo da marcha. Através do estudo foi possível confirmar a precisão de se utilizar acelerômetros para estimar o momento do contato inicial do calcanhar e do contato final, assim como os valores de pico de aceleração durante uma marcha normal [24].

Fig. 9. Relação entre a aceleração do tornozelo durante as fases da marcha. Apoio (ST), balanço (SW), apoio simples (SS) e duplo-apoio (DS) [24]. 4 – Considerações finais

A questão inicial do estudo era levantar os principais estudos que testaram se os acelerômetros são instrumentos eficientes para serem utilizados na identificação das fases da marcha humana.

De acordo com a pesquisa realizada, há um crescimento no uso dos acelerômetros ao longo dos anos devido a sua precisão na obtenção dos dados, facilidade na coleta e ao baixo custo para a aquisição do equipamento.

Entretanto, em grande parte dos estudos, a metodologia incluía outros instrumentos, como giroscópios e sensores de força, além dos acelerômetros. Nenhum estudo relatou qual o ponto ideal de fixação dos acelerômetros para obter os dados com maior eficiência (Tabela 1).

Os estudos identificaram os eventos da marcha com o objetivo de compará-los com a marcha patológica, onde há a necessidade de aprimorar os métodos de reabilitação.

Futuros estudos se fazem necessários para que seja possível criar um padrão no local de fixação do equipamento no corpo com o objetivo de obter dados precisos para serem usados com base comparativa.

Tabela 1. Visão geral dos estudos

Referências Equipamentos Local de Fixação

Fixação dos acelerômetros

Sujeitos Saudáveis

Sujeitos Comprometidos

[14] Acelerômetro uniaxial Tíbia Plataforma semi-rígida plástica e fita de velcro

3 -

[13] Acelerômetro sísmico Tíbia Suporte preso por fita de velcro

4 4

[15] Acelerômetro uniaxial Cintura Cinto elástico 282 -

[18] Acelerômetro 3-axial Coxa, tíbia e pé Fitas adesivas e rede 5 -

[16] Acelerômetro 2-axial Coxa Fitas adesivas 5 3

[17] Acelerômetro 2-axial Coxa, tíbia e pé Fitas adesivas 3 10

[20] Acelerômetro 2-axial Tíbia Fita de velcro 10 -

[21] Acelerômetro 3-axial Quadril e tíbia Fitas adesivas 13 -

[22] Acelerômetro uniaxial Tíbia Madeira balsa e fitas adesivas

9 -

[23] Acelerômetro 3-axial Perna Fita de velcro 7 17

[24] Acelerômetro 3-axial Tornozelo Fita de velcro 10 -

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