Desenvolvimento de um macromodelo biomecânico tridimensional da coluna vertebral durante tarefas de levantamento

Abstract

As atividades desenvolvidas pelo ser humano traduzem-se em grandes esforços internos, sobre as mais variadas estruturas corporais. O conhecimento da magnitude destes esforços pode auxiliar profissionais da área da saúde em atividades como prescrição de exercícios, reabilitação e prevenção de lesões. A magnitude dos esforços internos pode ser obtida por meio de um método direto ou indireto. O método direto esbarra em questões éticas e limitações tecnológicas, enquanto que o método analítico indireto por meio do conhecimento de parâmetros biomecânicos externos pode inferir sobre os esforços internos. Assim o objetivo deste estudo foi implementar um Macromodelo biomecânico tridimensional da coluna vertebral (MM3D), para cálculo das forças internas, articular e muscular resultantes, durante diferentes tarefas de levantamento de carga. O MM3D implementado consiste de um modelo de segmentos articulados (MSA-3D) o qual é composto por dezesseis segmentos rígidos conectados associados a um Modelo de distribuição (MDFMA) o qual fornece as forças musculares (FM) e articulares (FA) resultantes em três níveis da coluna vertebral (superior, médio e inferior). No MSA-3D as forças e momentos proximais líquidos são obtidos a partir da resolução das equações de movimento de Newton-Euler por meio da solução inversa. Com base nas forças e momentos proximais líquidos obtidos do MSA-3D o MDFMA baseado em técnicas de otimização e dados da literatura fornece as FM e FA resultantes na coluna vertebral. A tarefa avaliada consistiu do levantamento de um objeto com 20% da massa corporal do indivíduo em três diferentes técnicas de levantamento. Para registro cinemático foram utilizadas cinco câmeras digitais, com freqüência de amostragem de 25 Hz. O registro cinético foi realizado por meio da utilização de uma plataforma de força, a base de strain-gauges. Os resultados do MM3D implementado foram avaliados por meio da estimativa da acurácia da medida tridimensional obtida pela cinemetria, pela comparação dos resultados do MSA-3D com os valores mensurados pela plataforma de força, pela comparação da FRP e MP calculados pela via superior e inferior do MSA-3D nos segmentos da coluna vertebral e literatura. Os resultados obtidos sugerem uma coerência do MM3D com informações de mensurações diretas e estimativas indiretas obtidas da literatura. Assim o MM3D se mostrou capaz de avaliar e comparar as FM e FA nos três segmentos da coluna vertebral durante diferentes tarefas de levantamento.

Activities performed by the human being can be translated in large internal loads in the most varied body structures. Knowledge of these loads' magnitude may help health area professionals in activities such as prescription of exercises, rehabilitation and prevention of injuries. Internal load's magnitude may be obtained through direct or indirect methods. Direct method stumbles in ethical questions and technology limitations, while indirect analytic method through knowledge of external biomechanics parameters may deduce internal loads. Thus the objective of this study was to implement a tridimensional biomechanical macromodel of the spine (MM3D) to calculate internal forces, joint and muscular resultants, during different tasks of weight lifting. The implemented MM3D consists of an articulated segments model (MSA-3D) composed by sixteen rigid segments connected associated to a distribution Model (MDFMA) that provides resultant muscle (FM) and joint (FA) forces in three levels of the spine (superior, medium and inferior). At the MSA-3D liquid forces and proximal moments are obtained from the resolution of Newton-Euler movement equations through inverse solution. Based in the MSA-3D liquid forces and proximal moments obtained, the MDFMA, based in optimization techniques and data from literature, provides spine resultants FM and FA. The evaluated task consisted of lifting an object with 20% of the subjects' body weight using three different lifting techniques. For kinematics records five digital video cameras were used, with sampling frequency of 25 Hz. Kinetic record was performed using a force platform (strain-gauges based). MM3D implemented results were evaluated through accuracy estimation of the tridimensional measures obtained from kinematics, through comparison of the MSA-3D results and values measured by the force platform, through comparison of spine's segments calculated proximal resultant force and proximal moment calculated through upper and lower ways of MSA-3D and literature. Results suggest a coherence of direct measured information of MM3D and indirect estimative obtained from literature. Thus MM3D showed capable of evaluating and comparing FM and FA at the spine's three segments during different lifting tasks.