Avaliação da arquitetura muscular e das propriedades mecânicas tendíneas em indivíduos espásticos pós-AVC

Abstract

Introdução: A espasticidade é frequentemente observada após o acidente vascular cerebral (AVC); entretanto, os efeitos da mesma sobre a estrutura e função muscular não são totalmente conhecidos. A arquitetura muscular é um dos fatores determinantes da funcionalidade de músculos saudáveis, e está relacionada às propriedades mecânicas musculares, como a capacidade de produção de força. No entanto, a força desenvolvida pelo componente contrátil é afetada não somente pela arquitetura muscular, mas também pelas propriedades morfológicas e mecânicas das estruturas tendíneas, as quais são responsáveis pela transmissão de força durante atividades da vida diária. Este trabalho está dividido em dois artigos: o primeiro procura identificar os efeitos da espasticidade sobre a estrutura e função do músculo gastrocnêmio medial, enquanto o segundo, os efeitos dessa doença sobre as propriedades estruturais e mecânicas do tendão de Aquiles. Artigo I: O objetivo deste estudo foi investigar as propriedades mecânicas do músculo gastrocnêmio medial de pacientes pós-AVC com hemiparesia espástica e de indivíduos saudáveis. Foram avaliadas mudanças na arquitetura muscular e no torque em diferentes ângulos articulares nas condições repouso e contração voluntária máxima isométrica. Participaram do estudo 15 sujeitos pós-AVC com espasticidade de tornozelo e um grupo controle de 15 sujeitos saudáveis. Para o posicionamento articular e obtenção do torque isométrico máximo de flexão plantar foi utilizado um dinamômetro isocinético, enquanto imagens do músculo gastrocnêmio medial foram obtidas por ultrassonografia. As imagens foram coletadas em repouso e durante uma contração voluntária máxima isométrica nos ângulos de 30° de flexão plantar, 0° e na máxima dorsiflexão. As comparações foram realizadas entre os lados afetado e não afetado pela espasticidade nos indivíduos pós-AVC e lado direito dos indivíduos saudáveis. O lado afetado apresentou mudanças na estrutura muscular observada pelo menor comprimento de fascículo e espessura em repouso, bem como na funcionalidade muscular observada pelo menor torque e ângulo de penação durante a contração voluntária máxima isométrica além da menor excursão fascicular. O lado não afetado parece apresentar uma estrutura muscular semelhante aquela de indivíduos saudáveis em função da ausência de diferenças nos parâmetros de arquitetura muscular no repouso e contração voluntária máxima isométrica, mas demonstrou prejuízos na capacidade de produção de força. Artigo II: O objetivo do presente estudo foi avaliar, de forma ativa, as propriedades mecânicas do tendão de Aquiles de indivíduos pós-AVC com hemiparesia espástica e de indivíduos saudáveis. Participaram do estudo 15 sujeitos pós-AVC com espasticidade de tornozelo e um grupo controle de 15 sujeitos saudáveis. Para o posicionamento articular e realização dos protocolos foi utilizado um dinamômetro isocinético. As imagens do comprimento e área de secção transversa, bem como o deslocamento da junção miotendínea do tendão de Aquiles com o músculo gastrocnêmio medial, foram obtidos por meio da ultrassonografia. As imagens do comprimento e área de secção transversa foram coletadas em repouso, e o deslocamento da junção miotendínea do tendão de Aquiles durante uma contração voluntária máxima isométrica em rampa no ângulo de 0° do tornozelo. Foram avaliados a força, deformação, stress, strain, rigidez e módulo de Young do tendão de Aquiles. As comparações foram realizadas entre os lados afetado e não afetado pela espasticidade nos indivíduos pós-AVC e lado direito dos indivíduos saudáveis. Os lados afetado e não afetado do grupo AVC apresentaram alteração na morfologia do tendão de Aquiles observada pela área de secção transversa reduzida. Em relação às propriedades mecânicas, o lado afetado quando comparado ao lado não afetado e lado direito dos sujeitos saudáveis, demonstra estar prejudicado apresentando redução da força e deformação (absolutas e relativas) bem como menores valores de rigidez e módulo de Young. O membro não afetado apresentou redução da força, deformação e rigidez quando comparado ao lado direito dos sujeitos saudáveis. Entretanto, quando estas propriedades mecânicas do lado não afetado são normalizadas pelos parâmetros morfológicos (área de secção transversa e comprimento do tendão), as mesmas apresentam-se semelhantes ao tendão de indivíduos saudáveis.

Introduction: Spasticity often occurs after a stroke; yet, its effects on muscle structure and function are not fully understood. Muscle architecture is one determinant factor of the functionality of healthy muscles, and it’s related to the mechanical properties of muscles, like the ability to produce force. However, the force developed by the contractile component is affected not only by the muscular architecture, but also by morphological and mechanical properties of tendon structures, which are responsible for force transmission during activities of daily living. This work is divided into two articles: the first one tries to identify the effects of spasticity on the structure and function of the medial gastrocnemius muscle, while the second one tries to describe the effects of this disease on the structural and mechanical properties of the Achilles tendon. Study I: The purpose of this study was to investigate the mechanical properties of the medial gastrocnemius muscle in post-stroke patients affected by spastic hemiparesis and healthy subjects. We evaluated changes in muscle architecture and torque at different joint angles in rest condition and in maximum voluntary isometric contraction. The study included 15 subjects that survived from a stroke with ankle spasticity and a control group of 15 healthy subjects. An isokinetic dynamometer was used for joint positioning and obtainment of maximal isometric torque for plantar flexion, while images of the medial gastrocnemius muscle were obtained using ultrasonography. Images were collected at rest and during a maximum voluntary isometric contraction at 30° of plantar flexion, 0° and maximum dorsiflexion. We compared both limbs in post-stroke individuals, affected and non-affected by spasticity, and only the right side in healthy subjects. The spastic side showed changes in muscle structure observed by the shortening in fascicle length and smaller muscle thickness at rest, and in muscular functionality seen by the lower torque and smaller pennation angle during maximum voluntary isometric contraction, as well as in the smaller fascicular excursion. The unaffected side appears to have a muscular structure similar to healthy subjects, because there were no differences in muscle architecture parameters at rest and at maximum voluntary isometric contraction, but it showed impairments in the ability to produce force. Study II: The purpose of this study was to evaluate, in an active way, the mechanical properties of the Achilles tendon in post-stroke individuals with spastic hemiparesis and in healthy subjects. The study included 15 stroke survivors with ankle spasticity and a control group of 15 healthy subjects. An isokinetic dynamometer was used for joint positioning and obtainment of maximal isometric torque for plantar flexion. The images of the length, cross-sectional area and the displacement of the myotendinous junction of Achilles tendon with the medial gastrocnemius muscle were obtained using ultrasonography. The images of length and cross-sectional area were collected at rest and during a maximum voluntary isometric contraction in ramp at the ankle angle of 0°. We evaluated the strength, deformation, stress, strain, stiffness and Young's modulus of the Achilles tendon. We compared both limbs in post-stroke individuals, affected and non-affected by spasticity, and only the right side in healthy subjects. Both affected and non-affected sides of the stroke survivors group showed abnormalities in the Achilles tendon’s morphology observed by the reduced cross-sectional area. Regarding the mechanical properties, the affected side, when compared to the unaffected side and to the dominant side of healthy subjects, proves to be impaired, showing decrease in strength and deformation (both absolute and relative) and lower values of stiffness and Young's modulus. The unaffected limb showed decreased strength, deformation and stiffness when compared to the dominant side of healthy subjects. However, when these mechanical properties of the unaffected side are normalized by morphological parameters (cross-sectional area and length), they become similar to healthy subjects’ tendons.