AVALIAÇÃO DE PARÂMETROS BIOMECÂNICOS PELA DENSITOMETRIA RADIOGRÁFICA. ESTUDO IN VITRO EM OSSO CORTICAL DE TÍBIAS DE CARNEIROS.

INTRODUÇÃO

Apesar de existirem no mercado equipamentos específicos para a determinação do conteúdo mineral ósseo e da densidade mineral óssea, objetivando principalmente avaliar a susceptibilidade do tecido

ósseo à fraturas, a densitometria realizada a partir de radiografias convencionais é método que ainda deve ser considerado para esse tipo de análise. Essa alternativa propedêutica é atrativa por necessitar de radiografias obtidas em aparelhos convencionais e estar disponível em clínicas, consultórios, hospitais e

AVALIAÇÃO DE PARÂMETROS BIOMECÂNICOS PELA DENSITOMETRIA

RADIOGRÁFICA. ESTUDO “IN VITRO” EM OSSO CORTICAL DE TÍBIAS DE

CARNEIROS.

M.J.Q. Louzada1, W.D. Belangero2, L.E.B. Martins3

1

Medicina Veterinária, Universidade Estadual Paulista, Araçatuba, SP, Brasil.

2

Departamento de Ortopedia e Traumatologia, Faculdade de Ciências Médicas, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, SP, Brasil.

3

Departamento de Estudos da Atividade Física Adaptada, Faculdade de Educação Física, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, SP, Brasil.

Resumo: Da diáfise da tíbia de carneiros foram obtidos 44 corpos de prova de altura variada e demais dimensões constantes, que foram radiografados ao lado de uma escada de alumínio (liga 6063) com 12 degraus. Destas radiografias obtiveram-se a medida da densidade radiográfica “DR” de cada corpo de prova, cujos valores foram expressos em milímetros de alumínio (mmAl) e exprimem a densidade mineral óssea deste corpo de prova. Cada corpo de prova foi submetido a ensaio mecânico de flexão em três pontos, determinando-se a força máxima “Fmax” admitida, o módulo de elasticidade “E”, a resistência à flexão “S” e a energia absorvida “En”. Correlações foram computadas, obtendo-se entre a “DR” e a “Fmax” r=0,91 com p<0,0001. As correlações da “DR” com a resistência à flexão “S” e o módulo de elasticidade “E” foram baixas, entretanto, quando foi levada em consideração a altura “H” dos corpos de prova, houve uma melhora significativa. Assim, a correlação entre “DR/H” e “S” foi r=0,86, com p<0,0001, e com o “E” foi r=0,65, com p < 0,0001. Desta maneira, apesar deste estudo ser em corpos de prova, acredita-se que a densitometria radiográfica, medida não invasiva e indireta da densidade mineral óssea, pode vir a ser utilizada como parâmetro apropriado para a determinação de variáveis mecânicas.

Palavras-chave: Osso; Biomecânica; Fratura; Densidade Radiográfica.

Abstract: Forty four (44) test specimen of varied height and other constant dimensions were obtained from the diaphysis of sheep tibias, which were radiographed beside a 12-step aluminum (6063 alloy) wedge. The radiographic density measure “RD” of each test specimen was obtained, its values were expressed in millimeters of aluminum (mmAl) and express the bone mineral density of this test specimen. Each test specimen was submitted to three-point bending mechanical test, determining the maximum force admitted “Fmax”, the elasticity moduli “E”, the bending stiffness “S” and the energy absorbed “En”. Correlations were computed, obtaining between “RD” and “Fmax” r=0.91 with p<0.0001. The “RD” correlations with the bending stiffness “S” and the elasticity moduli “E” were low, nevertheless, when the height “H” of the test specimen was taken into account, there was a statistical improvement. Thus, the correlation between “RD/H” and “S” was r=0.86 with p<0.0001 and with “E” was r=0.65, with p<0.0001. Therefore, even through we have obtained these results in test specimen we belive that radiographic densitometry a noninvasive and indirect measure of bone mineral density could be used as a parameter to determine the mechanical variables analysed.

postos de saúde. Além disso, a possibilidade de se utilizar equipamentos mais sofisticados para a captura, digitalização e processamento dessas imagens radiografadas faz com que a reprodutibilidade e acurácia dessa metodologia melhorem significativamente (1, 2, 3).

Por ser um tecido constituído por uma porção mineral e outra orgânica, o osso pode ser avaliado não só por métodos de imagem, que quantificam indiretamente esse conteúdo mineral, como também por métodos que envolvam ensaios mecânicos, semelhantes àqueles utilizados para os materiais inertes. Nesses ensaios, é possível se determinar a força mecânica máxima admitida pelo osso, sua correspondente deformação, seu módulo de elasticidade e até a energia mecânica por ele absorvida.

A principal desvantagem desse método é ser um ensaio destrutivo, havendo a necessidade da retirada de segmentos ósseos para a experimentação.

Na prática clínica, esse tipo de avaliação obviamente não é possível, motivo pelo qual, diversos autores têm procurado inferir essas características mecânicas através de métodos não invasivos (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10). Por outro lado, a caracterização mecânica é muito importante, pois o osso participa de um sistema complexo de alavancas que tem como função prioritária a locomoção e o suporte do indivíduo, e a falência desse sistema é responsável, principalmente nas mulheres da terceira idade com osteoporose, por um número elevado de internações e de procedimentos cirúrgicos, com morbidade e mortalidade significativas, e custo social elevado (11). Tendo em vista que a mensuração desses parâmetros pode ser útil no acompanhamento clínico de pacientes com osteoporose e na identificação de casos com risco de fratura, foi objetivo desse trabalho determinar a densidade mineral óssea pela densitometria radiográfica “DR” e determinar as correlações entre esta densidade e os parâmetros obtidos em ensaio mecânico que quantificam de forma mais precisa e direta o material em estudo

MATERIAIS E MÉTODOS

Do terço médio de vinte e duas (22) tíbias de carneiros sadios abatidos para consumo foram retirados quarenta e quatro (44) segmentos ósseos, medindo aproximadamente 60mm de comprimento. A partir desses segmentos ósseos foram confeccionados 44 corpos de prova com 4mm de largura e 40mm de comprimento (figura 1), que foram armazenados a – 20oC até o momento dos ensaios.

Densitometria Radiográfica “DR”

Os corpos de prova foram radiografados com aparelho de raios X convencional e filmes radiográficos de marca comercial, ao lado de uma escada de

alumínio (liga 6063, ABNT) com 12 degraus. O primeiro degrau dessa escada tinha 0,5 mm de espessura e a cada degrau (até o décimo) era acrescido 0,5 mm, de tal modo que o décimo degrau tinha 5,0 mm. O décimo primeiro degrau tinha 6,0 mm de espessura e o décimo segundo 8,0 mm. A área de cada degrau era de 5 x 25mm2. A escada era colocada no centro da radiografia, na direção do feixe principal dos raios, com os corpos de prova dispostos à direita e à esquerda, com a face periostal voltada para cima.

40mm

4mm

FIGURA 1. Esquema da tíbia de carneiro (A); do segmento ósseo do 1/3 médio (B) e, do corpo de prova (C).

As imagens radiografadas eram digitalizadas em um “scanner” com adaptador para transparência (HP Scanjet 4C®) para serem analisadas pelo programa CROMOX, desenvolvido especificamente para esta finalidade. Este programa permite determinar a densidade radiográfica de regiões pré-estabelecidas, expressando-as em níveis de cinza (de 0 a 255) (2, 3). Assim foram analisadas as densidades radiográficas dos degraus da escada e dos corpos de prova. Com outro programa (12) estes valores de densidade radiográfica dos corpos de prova foram convertidos em valores de espessura equivalente em milímetros de alumínio (mmAl) da escada de referência.

Ensaio de flexão em três pontos

Para fins de ensaio, os corpos de prova foram considerados como barras e assim pôde-se determinar o módulo de elasticidade “E” e a resistência à flexão “S” dos mesmos. Os ensaios foram feitos em máquina de ensaio universal MTS, com célula de carga de 1000 N e velocidade de aplicação da carga de 5 mm/min no centro do corpo de prova, com distância entre os apoios de 30mm. Obtiveram-se para cada corpo de prova, curvas de força (N) versus deformação (mm), e assim determinou-se diretamente da curva a força máxima admitida “Fmax”. O módulo de elasticidade “E”, a resistência à flexão “S” e a energia absorvida “En” até a força máxima foram determinadas pelas fórmulas descritas abaixo. A energia absorvida foi calculada dividindo-se a área da curva até a força máxima “Fmax” pelo produto espessura “H” x largura “b” (4mm) do corpo de prova. Assim,

f

I

L

F

E

.

.

48

.

=

I

H

L

F

S

.

8

.

.

max

=

onde “L” é o comprimento da peça (40mm), “F” é a força aplicada (determinada na região da curva onde o comportamento mecânico do corpo de prova é elástico) com seu correspondente deslocamento vertical “f” ou flecha, e “I” é o momento de inércia

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

=

12

.H

b

I

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3

.

Análise Estatística

Foi realizada análise estatística descritiva (cálculo da média e desvio padrão) com os valores encontrados para as variáveis analisadas. Realizou-se também análise de correlação com cálculo do coeficiente de correlação, r, e níveis descritivos, p, das regressões lineares entre as medidas obtidas. Foi calculado o coeficiente de variação CV pela relação [(desvio padrão / média) x 100%].

RESULTADOS

A “Fmax” média foi de 124,75±39,79 N, variando de 47,53 a 224,52 N, com coeficiente de variação “CV” de 31,90%. Com relação aos módulos de elasticidade, os valores variaram de 3688,33 a 27341,51 x106N/m2, com CV de 38,13% e média de 13011,75±4961,94 x106N/m2. A resistência à flexão variou de 75,75 a 407,68 x106N/m2, com CV de 25,85% e média 217,07±56,15 x106N/m2. A energia absorvida pelos corpos de prova variou de 6,65 a 22,58 x10-3Nm, com CV de 28,23% e média de 13,47±3,80 x10-3Nm.

O valor médio da “DR” foi de 2,23±0,37 mmAl, variando de 1,44 a 2,95 mmAl, com CV de 16,8%. As espessuras “H” dos corpos de prova variaram de 1,60 a 3,50mm, com valor médio de 2,56 mm. O valor médio da DR/H foi de 0,88±0,11 mmAl/mm de osso, variando de 0,56 a 1,23 mmAl/mm de osso, com CV de 12,68%.

Na tabela 1, estão apresentados os coeficientes de correlação (r) e os níveis descritivos (p) das regressões lineares entre as medidas obtidas com o ensaio mecânico e a “DR/H”.

TABELA 1. Correlações [r (p)] entre os parâmetros estudados. Fmax E S En DR 0,91 (<0,0001) 0,026 (0,87) 0,36 (0,020) 0,21 (0,187) DR/ H 0,46 (0,0019) 0,65 (<0,0001) 0,86 (<0,0001) 0,14 (0,356)

Obs: “DR” densidade radiográfica em mmAl; “Fmax” força máxima admitida; “E” módulo de elasticidade; “S” resistência à flexão; “En” energia absorvida

Na figura 2 está mostrada a fortíssima correlação observada entre a “DR” e a “Fmax” (r=0,91; p<0,0001).

1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 r=0,913 p<0.0001 Fm ax (x10 N) DR (m m Al) F IGURA 2. Correlação entre “DR” e “Fmax”.

O “E” e “S” apresentaram melhor correlação com “DR/H”, respectivamente r=0,65 (p<0,0001) e, r=0,86 (p<0,0001) (Figuras 3 e 4). 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 r=0.65 p<0.0001 E (x107 N /m2) D R /H (m m Al/m m de osso)

FIGURA 3. Correlação entre “DR/H” e módulo de elasticidade “E”.

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 5 10 15 20 25 30 35 40 45 r=0.86 p<0.0001 S (x107 N/m2) DR/H (m m Al/m m de osso)

DISCUSSÃO

Observa-se na literatura o interesse em se buscar a correlação entre os parâmetros mecânicos obtidos em ensaios destrutivos com avaliações feitas através de técnicas não invasivas (5, 10, 25, 26).

Conhecer os parâmetros mecânicos de um material é saber como este material se comportará quando solicitado mecanicamente nas mais diversas condições. Por exemplo: qual será sua deformação quando tal força for aplicada? Qual é a máxima força que a ele pode ser aplicada? Em que ponto ou até que deformação poderá o corpo admitir aplicação de força sem se romper ou fraturar? Qual sua capacidade em absorver energia?

Em termos biológicos, determinar estes parâmetros é de extrema importância principalmente quando se busca a confecção de órteses e próteses (ortopédicas, ortodônticas, cardíacas, etc), que estarão sujeitas a diversas ações mecânicas associadas às condições biológicas. Por outro lado, determinar os parâmetros mecânicos do próprio material biológico também é de suma importância. Contudo, os ensaios para a determinação destes parâmetros são, para a maioria deles, destrutivos. É neste ponto que surge a necessidade de se buscar formas não invasivas para, pelo menos, se estimar os comportamentos mecânicos do tecido biológico.

O ensaio mecânico empregado neste experimento, flexão em 3 pontos, vem sendo utilizado por diversos pesquisadores (10, 13, 14, 15) e tem como vantagem a simplicidade na aplicação da força ao corpo de prova. Diferentemente dos ensaios de compressão, tração e torção, não há a necessidade de se construir aparatos de suporte para a fixação da peça à máquina de ensaio. No ensaio de compressão, por exemplo, aplicar a força ao corpo de prova requer um paralelismo perfeito entre as extremidades do corpo ou do suporte onde esse estará incluído, para que a força seja aplicada perpendicularmente a esta região, não originando o encurvamento da peça óssea, o que possibilitaria o surgimento de componentes da força em outras direções e momentos fletores.

Com o ensaio de flexão obteve-se diretamente a força máxima “Fmax” admitida pelas amostras. Com este parâmetro e a característica geométrica de cada amostra calculou-se a resistência “S”.

Este parâmetro mecânico – “Fmax” - foi também utilizado por Oden et al. (1999) quando analisaram o efeito do aumento localizado de densidade óssea na resistência óssea de um fêmur humano osteopênico.

A escolha do módulo de elasticidade “E” se deve ao fato deste parâmetro exprimir a relação entre a tensão (“stress”) aplicada ao corpo e a correspondente deformação provocada neste, expressando assim a rigidez deste material. Este parâmetro é obtido na chamada fase elástica do material, ou seja, fase em que quando se retira a carga aplicada o corpo retorna a seu estado inicial, sem que fique deformado.

Já a resistência à flexão “S” estabelece a relação entre a máxima força admitida pelo corpo e suas características geométricas.

O cálculo da energia absorvida pelos corpos de prova foi feito a partir do cálculo da área sob a curva definida. O ponto final da curva poderia ser definido no limite entre a fase elástica e plástica (17), o que a nosso ver é mais difícil de ser determinada, motivo pelo qual se optou por utilizar o ponto de força máxima como limite (18, 19).

Nossos resultados apresentaram coeficientes de variação “CV” bastante elevados: 31,90% para a “Fmax”; 38,13% para o “E”; 25,85% para a “S” e, 28,23% para a “En”. Estes valores altos não são incomuns de surgirem em ensaios de amostras biológicas, entretanto, neste trabalho, a grande variação da espessura “H” dos corpos de prova, de 1,60 a 3,50mm, com CV(%) de 15,59%, com distribuição normal em torno da média de 2,56mm deve ter contribuído fortemente para isto. Como não houve uma preocupação inicial em se padronizar esta espessura isto, como conseqüência, influenciou diretamente os parâmetros forças (“F” e “Fmax”), que por sua vez influenciaram os demais parâmetros mecânicos estudados. Porém, esta variação de espessuras resultou em maior faixa de valores para os parâmetros estudados, o que propiciou a melhor observação das regressões realizadas.

Snyder et al. (1991), trabalhando com corpos de prova com espessura padronizada de 2mm, obtiveram valores de “E” e “S” com CVs bem menores, respectivamente, 9,26% e 9,86%. Entretanto, o CV para a “En” foi alto, 22,22%.

Outro fato que pode ter influenciado nos altos coeficientes de variação foi que os corpos de prova foram retirados tanto da face anterior como da face posterior da região diafisária da tíbia, de ambos os membros. Essa aleatoriedade poderia explicar esses coeficientes de variação mais elevados entre os corpos de prova.

Para a prática clínica, a utilização de técnicas rotineiras de exame que pudessem inferir, com bom grau de confiança e reprodutibilidade, o desempenho do tecido ósseo seria extremamente útil na prevenção e no controle de complicações das doenças ósseas que interferem com a densidade mineral óssea. Algumas técnicas atualmente utilizadas, como a tomografia computadorizada quantitativa e a atenuação de dupla energia “DEXA”, além de serem caras, não estão disponíveis na maioria dos hospitais da rede pública de saúde. Seria, portanto, interessante que métodos rotineiros e acessíveis, como as radiografias convencionais, pudessem ser utilizados para esse fim. Em estudos anteriores verificou-se que a densitometria óptica radiográfica pode se constituir em um método reprodutível e de boa acurácia, principalmente quando se utilizam padrões e analisam-se as imagens radiográficas com equipamentos com maior capacidade

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de definição do que o olho humano (1, 2, 3, 12, 20, 21, 22, 23, 24).

Snyder et al. (1991), por exemplo, encontraram baixa correlação entre a medida da densidade mineral óssea (obtida pela tomografia computadorizada quantitativa) com o módulo de elasticidade (r=0,55) e a resistência à flexão (r=0,50), em ensaios mecânicos destrutivos. Os autores concluíram que o equipamento (tomografia computadorizada) não tinha sido preciso para estimar as propriedades mecânicas do osso ensaiado.

Por outro lado, den-Boer et al. (1998), utilizando-se da tomografia computadorizada tridimensional, encontraram correlação linear de 0,91 entre a densidade mineral do calo ósseo no foco de fratura e a resistência à torção, obtida em ensaios mecânicos.

Koo et al. (2001) comentam que a capacidade de prognóstico da resistência, pela atenuação de dupla energia “DEXA”, variou de 0,41 a 0,97 (R2), dependendo do osso testado e dos parâmetros medidos.

De acordo com Veenland et al. (1997), a resistência mecânica das vértebras de cadáveres frescos pode ser determinada pela geometria, densidade e estrutura das mesmas. Esses autores obtiveram correlações elevadas entre a densidade mineral óssea, obtida pela tomografia computadorizada quantitativa, e a força necessária para a fratura das mesmas. Os resultados mostraram “r” de 0,82 para as mulheres e 0,94 para os homens (p<0,001).

Com relação à densidade mineral óssea dos corpos de prova deste estudo, estimada pela densitometria radiográfica, os resultados encontrados forneceram um CV de 16,76%.

Para as correlações encontradas, a maior foi entre a “Fmax” e a “DR”, r=0,91 (p<0,0001). Contudo, a resistência à flexão “S” e o módulo de elasticidade “E” se correlacionaram melhor com a “DR/H”, respectivamente 0,86 e 0,65, ambas significativas com p<0,0001.

Estes resultados corroboram com a idéia de se utilizar a metodologia densitométrica para a avaliação destes parâmetros mecânicos.

A capacidade de avaliar em três planos o objeto em estudo só é possível com a tomografia computadorizada que, por este aspecto, leva vantagem sobre a radiografia convencional. De qualquer modo, desde que devidamente corrigida com o uso de um padrão e sensibilizada a sua leitura com a digitalização da imagem, a radiografia pode chegar a ter correlação aceitável com os parâmetros mecânicos, como os aqui analisados, que talvez sejam já suficientes para o acompanhamento do aumento ou da perda óssea e para o prognóstico de pacientes de risco para fraturas. Como crítica a esse estudo pode-se colocar que as avaliações foram feitas em corpos de prova onde não havia a presença dos tecidos moles que envolvem o

tecido ósseo e produzem sombra na radiografia. No entanto, as informações aqui obtidas são importantes e servirão como orientação para uma nova etapa da investigação, indicando os parâmetros que deverão ser analisados..

CONCLUSÃO

Os dados obtidos neste estudo demonstraram que a densidade óssea, obtida pela densitometria radiográfica, metodologia não invasiva e indireta, mostrou-se eficiente na avaliação dos parâmetros biomecânicos estudadas.

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Recebido em: 15/07/2004. Aprovado em: 14/08/2005. Endereço para correspondência

M.J.Q. Louzada

Faculdade de Medicina Veterinária, Universidade Estadual Paulista, UNESP Rua Clóvis Pestana, 793

16050-680 Araçatuba, SP, Brasil. Fax: 55-18-3622-6487