FACULDADE DE EDUCAÇÃO FÍSICA
KARINE JACON SARRO
PROPOSIÇÃO, VALIDAÇÃO E
APLICAÇÃO DE UM NOVO
MÉTODO PARA ANÁLISE
CINEMÁTICA TRIDIMENSIONAL
DA MOVIMENTAÇÃO DA CAIXA
TORÁCICA DURANTE A
RESPIRAÇÃO
Campinas
2007
KARINE JACON SARRO
PROPOSIÇÃO, VALIDAÇÃO E
APLICAÇÃO DE UM NOVO
MÉTODO PARA ANÁLISE
CINEMÁTICA TRIDIMENSIONAL
DA MOVIMENTAÇÃO DA CAIXA
TORÁCICA DURANTE A
RESPIRAÇÃO
Tese de Doutorado apresentada à Pós-Graduação da Faculdade de Educação Física da Universidade Estadual de Campinas para obtenção do título de Doutor em Educação Física.
Orientador: Prof. Dr. Ricardo Machado Leite de Barros
Campinas
2007
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA
PELA BIBLIOTECA FEF - UNICAMP
Sarro, Karine Jacon.
Sa75p Proposição, validação e aplicação de um novo método para anáilise cinemática tridimensional da movimentação da caixa torácica durante a respiração / Karine Jacon Sarro. - Campinas, SP: [s.n], 2007.
Orientador: Ricardo Machado Leite de Barros.
Tese (doutorado) – Faculdade de Educação Física, Universidade Estadual de Campinas.
1. Testes respiratórios. 2. Tórax. 3. Cinemática. 4. Biomecânica. I. Barros, Ricardo Machado Leite de. II. Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Educação Física. III. Título.
(asm/fef)
Título em inglês: Proposition, validation and application of a novel method to the 3D
kinematical analysis of the rib cage motion during breathing.
Palavras-chaves em inglês (Keywords): Rib cage; Brething; Videogrammetry. Área de Concentração: Biodinâmica do Movimento Humano.
Titulação: Doutorado em Educação Física.
Banca Examinadora: Ricardo Machado Leite de Barros. Orivaldo Lopes da Silva. Luciano Alegretti Mercadante. Alberto Cliquet Junior. Luiz Eduardo Barreto Martins.
Dedicatória
Dedico este trabalho a todos que possam dele se beneficiar.
“Então Deus formou o corpo humano usando para isso o pó da terra. Depois, soprou nele o sopro da vida, e ele veio a ser alma vivente”.
Agradecimentos
Agradeço...
... meu orientador Prof. Dr. Ricardo Machado Leite de Barros por me guiar em mais esta etapa da minha vida acadêmica, contribuindo de forma decisiva para minha formação.
... meus pais, Adélio Sarro e Rosa Maria, meu irmão Vinicius e meus familiares, por todo o carinho e apoio.
... meu amado Cadu, por todo amor, carinho, respeito e incentivo.
... minha amiga Fernanda Palma de Lima, minha irmã de coração, por sua amizade infinita e incondicional.
... minha amiga Amanda, por todos os momentos de trabalho e diversão que passamos juntas e por exercitar de forma tão grandiosa minha paciência.
... meus colegas “libianos”, por toda a ajuda e pela convivência nesses anos de pós-graduação.
... os professores Orivaldo, Cliquet, Barreto, Luciano e Maria Ignez Feltrim pelas contribuições feitas na ocasião da qualificação e defesa desta tese.
SARRO, Karine Jacon. Proposição, validação e aplicação de um novo método para a análise
cinemática tridimensional da movimentação da caixa torácica durante a respiração. 2007.
70f. Tese (Doutorado em Educação Física)-Faculdade de Educação Física. Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2007.
RESUMO
O presente trabalho teve como objetivo propor e validar um novo método para análise cinemática tridimensional da movimentação da caixa torácica durante a respiração e mostrar uma aplicação do mesmo. A análise cinemática foi utilizada para descrever a movimentação tridimensional das costelas durante a respiração. As coordenadas 3D de marcadores posicionados sobre as costelas e vértebras foram utilizadas para calcular as distâncias transversais e ântero-posteriores da caixa torácica e a orientação das costelas em função do tempo. O método identificou um sinal coerente com o ciclo respiratório para todas as distâncias calculadas e também para os ângulos das costelas ao redor de um eixo quasi-transversal representando os movimentos de elevação e abaixamento das costelas. Também foi capaz de medir a maior variação das distâncias ântero-posteriores e transversais da caixa torácica durante respirações em capacidade vital quando comparadas a respirações em volume corrente. Foram realizados testes para avaliar variáveis relacionadas aos erros de medição do sistema de análise cinemática utilizado. Imagens de ressonância magnética do tronco foram utilizadas para calcular a movimentação relativa entre os marcadores de superfície e as costelas (deslizamento de pele). Os resultados revelaram um erro sistemático abaixo de 1 mm e um desvio padrão experimental de 2,5 mm, o que gerou erros máximos de 2º na medição da variação angular das costelas. A movimentação relativa média entre os marcadores, assumida como a distância entre o marcador e a costela em capacidade pulmonar total menos a distância entre o marcador e a costela em capacidade residual funcional, foi igual a 3,9 mm, valor menor que os relatados na literatura para os membros inferiores ou coluna vertebral. Esses resultados validam o método, mostrando a viabilidade em se usar a análise cinemática para avaliar movimentações das costelas acima de 2º. Uma vez validado, o método foi aplicado a um grupo de sujeitos saudáveis e distinguiu alguns sujeitos com movimentação paradoxal das costelas. Aplicado a um grupo de nadadores, foi capaz de evidenciar alterações nos movimentos respiratórios desse grupo, identificando maior variação angular das costelas e maior correlação entre as curvas dos ângulos das costelas (p<0,05) quando comparado ao grupo controle. Os nadadores também apresentaram maior correlação entre a variação angular das costelas e os volumes parciais do tronco, reforçando o potencial da metodologia em identificar alterações nos padrões respiratórios. Concluindo, este estudo validou o uso da análise cinemática 3-D para avaliar a movimentação das costelas e a coordenação entre elas durante a respiração bem como evidenciou seu potencial na identificação de diferentes comportamentos da movimentação das costelas, mostrando que a prática de natação induziu um padrão otimizado de movimentação da caixa torácica.
SARRO, Karine Jacon. Proposition, validation and application of a novel method to the 3D
kinematical analysis of the rib cage motion during breathing. 2007. 70f. Tese (Doutorado em
Educação Física)-Faculdade de Educação Física. Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2007.
ABSTRACT
The present work aimed to propose and validate a novel method to the 3D kinematical analysis of the rib cage motion during breathing and to show an example of application. The kinematical analysis was used to describe the 3D motion of the ribs during breathing. The 3D coordinates of surface markers positioned on the ribs, sternum and vertebrae were used to calculate the transversal and anterior-posterior distances of the rib cage and the orientation of the ribs in function of time. The method identified a signal coherent with the breathing cycle for all the distances measured and for the angles of the ribs around the quasi-transversal axis representing the upward and downward movements of the ribs. The method was also able to identify the higher variation of the transversal and anterior-posterior distances of the rib cage during breathing at vital capacity when compared with breathing at tidal volume. Some tests were performed to evaluate variables related to the measurement errors of the system. Magnetic resonance images of the trunk were used to calculate the relative motion between the surface markers and the ribs (soft tissue artifact). The results revealed less than 1 mm of systematic error and a experimental standard deviation of 2.5 mm, which generate maximal errors of 2º on the angular variation of the ribs. The soft tissue artifact was assumed as the distance between the marker and the rib at total lung capacity minus the distance between the marker and the rib at functional residual capacity, and the absolute mean value found was 3.9 mm. This value is smaller than that one found in the kinematics of other segments. The method was applied in a group of swimmers and a control group of non-athletes and was able to distinguish subjects with a paradoxal movement and showed that swimmers presented greater angular variation for all ribs, and greater correlation between the curves of the rib angles (p<0.05). The swimmers also presented higher correlation between the angular variation of the ribs and the variation of the separate volumes of the trunk. In conclusion, this study has validated the use of 3-D kinematic analysis to evaluate the movement of the ribs and their coordination during breathing as well as has shown its potential to identify differences in the behavior of the ribs motion, showing that swimming training induced an optimized pattern of motion of the rib cage.
LISTA DE FIGURAS
Capítulo 1
Figura 1 - Disposição dos marcadores no voluntário (B e C) e na caixa torácica (A e
D), mostrando o efeito retrorefletivo dos mesmos... 20
Figura 2 -
Variação das distâncias ântero-posterior (DAP) e da distância transversal (DT) em função do tempo, calculada ao nível dos dez primeiros pares de costelas de um dos sujeitos durante a respiração em capacidade vital. Dados filtrados com filtro digital Butterworth... 24
Figura 3 -
As figuras A e B apresentam respectivamente o coeficiente de variação das distâncias ântero-posteriores (DAP) durante respiração em volume corrente (VC) e capacidade vital (CV) enquanto as figuras C e D apresentam o coeficiente de variação das distâncias transversais (DT) durante respiração em volume corrente (VC) e capacidade vital (CV). Cada box apresenta a distribuição dos valores obtidos pelos 10 sujeitos para uma determinada costela. A não sobreposição das regiões chanfradas dos Box plots indica diferença significativa entre as medianas ao nível de 95%... 26
Capítulo 2
Figura 1 - Representation of the rib cage using external markers... 34
Figura 2 -
Magnetic resonance images exemplifying one slice taken during apnea in functional residual capacity (left) and one slice taken during total lung capacity (right). The surface markers positioned at the ribs can be visualized in both images (arrows)... 37
Figura 3 - α-angle of rib pairs for a volunteer during vital capacity breathing…... 40 Figura 4 -
Distribution of the α values for ribs 2 to 10 for the control group (grey boxes) and swimmer group (black boxes) during vital capacity maneuvers. Boxes show interquartile (25–75%) range, horizontal lines represent median values, whiskers show the data range and crosses represent outliers... 41
Figura 5 - Distribution of αrmsdvalues for the ribs 2 to 10 for the control group (grey
boxes) and swimmer group (black boxes) during vital capacity maneuvers. Boxes show interquartile (25–75%) range, horizontal lines represent median
values, whiskers show the data range and crosses represent outliers...
42
Figura 6 -
Distribution of the z-transformed correlation coefficient values for the tenth rib with ribs 2 to 9 for the control group (grey boxes) and swimmer group (black boxes) during vital capacity maneuver. Boxes show interquartile (25–75%) range, horizontal lines represent median values, whiskers show the data range and crosses represent outliers…... 43
Figura 7 - α-angle variation of the second and the tenth ribs in function of time and
their relation in one subject of the control group (left) and in one subject of
the swimming group (right)……….. 44
Capítulo 3
Figura 1 -
Representation of the trunk using external markers: model used to calculate the separate trunk volumes (A): ST = superior thorax, IT = inferior thorax, SA = superior abdomen, IA = inferior abdomen; and markers used to calculate the coordinate systems of the ribs (B)………... 51
Figura 2 -
Rotation of the ribs (R2 to the R10) around the quasi-transversal axis and the 4 separate volumes of the chest wall of the subject of the control group (left) and the swimmer (right) that presented the best results. ST = superior thorax, IT = inferior thorax, SA = superior abdomen, IA = inferior
abdomen.……….. 54
Figura 3 -
Distribution of the mean values of the z-correlation coefficient between the ribs angles and the volumes of each compartment of the chest wall presented by the control group (CG) and swimmer group (SG) during vital capacity maneuvers (VC). ST = superior thorax, IT = inferior thorax, SA = superior abdomen, IA = inferior abdomen, Tk = total trunk……..…………. 55
LISTA DE TABELAS
Capítulo 1
Tabela 1 -
Valores médios e de desvio padrão, medidos em centímetros, das distâncias ântero-posteriores e transversais médias das costelas de 1 a 10 encontrados nos sujeitos do sexo masculino (n=6) e feminino (n=4) durante respiração em volume corrente (VC) e capacidade vital (CV)... 25
Capítulo 2
Tabela 1 -
Initial values for the α-angles from 2nd to 10th ribs, as well as the mean
value of simulated α-angles (αs), difference between these two values and
the standard deviation of α-angles during simulation (αsstd). (Values in
degrees)... 39
Tabela 2 -
Difference in distances between the ribs for FRC and TLC and the corresponding markers on the left (L) and right (R) sides for 3 measurements (d1TLC-d1FRC, d2TLC-d2FRC, d3TLC-d3FRC) as well as mean values of the differences in distance. (Values in mm)... 39
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
CG Control group
DAP Distância ântero-posterior
DT Distância transversal
FEF Faculdade de Educação Física
FRC Functional residual capacity
IA Inferior abdomen
IT Inferior thorax
MRI Magnetic resonance image
PSIS Posterior superior iliac spines
QB Quiet breathing
RMSD Root mean square deviation
SA Superior abdomen
SG Swimmer group
ST Superior thorax
T1 First thoracic vertebra
Tk Trunk
TLC Total lung capacity
UNICAMP Universidade Estadual de Campinas
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ...13
CAPÍTULO 1 ANÁLISE DAS VARIAÇÕES ÂNTERO-POSTERIORES E TRANSVERSAIS DA CAIXA TORÁCICA DURANTE A RESPIRAÇÃO USANDO VIDEOGRAMETRIA ...18
INTRODUÇÃO...19
METODOLOGIA...20
RESULTADOS...24
DISCUSSÃO E CONCLUSÕES...27
CAPÍTULO 2 PROPOSITION AND EVALUATION OF A NOVEL METHOD TO MEASURE 3D RIBS MOTION BASED ON VIDEOGRAMMETRY ...31 ABSTRACT...31 INTRODUCTION...32 METHODS...33 RESULTS...38 DISCUSSION...44 CAPÍTULO 3 COORDINATION BETWEEN RIBS MOTION AND THORACOABDOMINAL VOLUMES IN SWIMMERS DURING RESPIRATORY MANEUVERS ...47
CONSIDERAÇÕES FINAIS...59
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...61
ANEXOS ...66
ANEXOA:QUESTIONÁRIO APRESENTADO PARA AVALIAÇÃO ANTROPOMÉTRICA E DO ESTADO DE SAÚDE GERAL DOS SUJEITOS...67
ANEXOB:PARECER DO COMITÊ DE ÉTICA EM PESQUISA DA FACULDADE DE CIÊNCIAS MÉDICAS DA UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS. ...68
Introdução
Na análise de movimentos humanos a cinemática é considerada como o estudo das posições, orientações, velocidades e acelerações dos segmentos corporais e articulações. A base da cinemática é a escolha de coordenadas para representar a posição dos segmentos e o método mais comumente utilizado na análise cinemática de movimentos baseia-se na imagem do movimento ou de pontos de interesse, utilizando softwares específicos para reconstruir as coordenadas bidimensionais ou tridimensionais dos mesmos.
A análise cinemática tridimensional de movimentos humanos é freqüentemente utilizada em estudos da marcha humana, na análise de gestos esportivos, no estudo da coluna vertebral e postura dentre várias outras aplicações. Contudo, ainda é pouco utilizada na investigação dos movimentos respiratórios, os quais, na maior parte dos trabalhos encontrados na literatura, foram mensurados com o intuito de obter a variação dos volumes toracoabdominais (Ferrigno et al., 1994) e não de estudar os movimentos da caixa torácica durante a respiração. Até onde é do nosso conhecimento, nenhum trabalho anterior analisou a movimentação tridimensional das costelas durante a respiração usando videogrametria, as quais estão conectadas por diferentes grupos musculares e cuja movimentação está diretamente relacionada com a variação de volume e entrada de ar nos pulmões.
Visto que a atuação coordenada dos músculos respiratórios é exigida para a manutenção do equilíbrio no balanço das pressões entre tórax e abdômen, informações sobre a cinemática respiratória são fundamentais para a compreensão da função dos músculos respiratórios, como atuam e como são coordenados, indicando o compartilhamento do trabalho respiratório entre os vários grupos musculares e permitindo o estudo de estratégias terapêuticas para a melhora do desempenho respiratório, tanto no campo da reabilitação pneumofuncional como nos esportes.
Trabalhos anteriores que mediram os movimentos respiratórios consideraram a parede torácica como um todo ou dividiram-na em compartimentos, reduzindo o número de graus de liberdade e generalizando sua movimentação. Wade (1954) consideraram o tronco com apenas um grau de liberdade, acessando os movimentos respiratórios através da medida dos deslocamentos verticais e da variação da circunferência de apenas uma região da caixa torácica.
Konno e Mead (1967) foram pioneiros em atribuir dois graus de liberdade ao tronco, representado-o por dois compartimentos para medir o deslocamento ântero-posterior da caixa torácica e do abdômen separadamente. Em 1992, Ward et al. ampliaram o modelo proposto por Konno e Mead apresentando um modelo com três compartimentos: tórax pulmonar, em contato com os pulmões, tórax abdominal, em contato com o diafragma, e abdômen, usando como justificativa o fato de que as partes eram anatomicamente distintas, bem como os músculos que agiam sobre cada uma delas.
Entretanto, o comportamento altamente sincronizado das estruturas da caixa torácica, que reflete a ação coordenada dos músculos respiratórios, pode encontrar-se alterado na presença de doenças que envolvam o sistema respiratório ou alterem a postura na região torácica (Primiano, 1982, Tobin et al., 1983b), aspecto que os modelos e as metodologias existentes não são capazes de identificar com detalhes por reduzirem os graus de liberdade da caixa torácica. Essas alterações também podem ser induzidas pela prática esportiva, quando o sistema respiratório é submetido a diferentes níveis de esforço (Kenyon et al., 1997, Barros et al., 2003). A consideração da caixa torácica como um segmento único se deve muitas vezes a limitações das metodologias existentes no que diz respeito a uma análise mais completa da sua movimentação, havendo carência de metodologias desenvolvidas para esse fim.
Os métodos encontrados na literatura para a análise da movimentação toracoabdominal podem ser classificados, de acordo com a American Thoracic Society e com a European Respiratory Society (ATS/ERS Statement on Respiratory Muscle Testing, 2002), como: a) dispositivos usados para monitorar a respiração, como os magnetômetros (Mead et al., 1967) e pletismógrafos por indutância (Martinot-Lagarde et al., 1988), capazes de mensurar duas regiões do tronco simultaneamente; b) técnicas de imagem, como as que fazem uso de raio-X (Dansereau e Stokes, 1988) e ressonância magnética (Kondo et al., 2000), os quais descartam as informações temporais uma vez que só permitem a aquisição das imagens em situações estáticas, como em apnéia; c) dispositivos ópticos, como a pletismografia respiratória optoeletrônica (Ferrigno et al., 1994) e métodos baseados em câmeras de vídeo digitais convencionais (Barros et al., 2003), que até o momento só foram utilizados com o objetivo de medir a variação de volume ou da área dos compartimentos do tronco, como tórax superior, tórax inferior e abdômen.
A descrição mais difundida da movimentação das costelas, comumente encontrada em livros didáticos, baseia-se em análises qualitativas e analogias. Segundo esta
descrição, a caixa torácica teria dois movimentos principais: um movimento similar ao de uma “alça de balde” e outro análogo ao de um “braço de bomba” (Kapandji, 2000). A principal desvantagem de uma análise qualitativa está relacionada à sua subjetividade, já que está baseada na habilidade do analista em reconhecer todas as características do movimento, incluindo os aspectos críticos do mesmo.
As investigações experimentais encontradas na literatura, que fornecem uma análise da posição e orientação das costelas separadamente a partir de coordenadas tridimensionais de determinados pontos de interesse, são baseadas em métodos invasivos, com o uso de raios-X e tomografia computadorizada. Esses métodos permitem a análise da caixa torácica em situações estáticas durante a realização de apnéia em diferentes volumes pulmonares. Como todas as informações temporais são desconsideradas, o deslocamento das costelas durante o ciclo respiratório é representado pela diferença entre sua posição e orientação durante apnéia em capacidade residual funcional, representando um instante da expiração, e durante apnéia em capacidade pulmonar total, representando o instante de máxima inspiração (Wilson et al., 1987, Dansereau e Stokes, 1988).
Uma descrição detalhada da movimentação dos componentes osteoarticulares da caixa torácica durante a respiração ainda é uma questão que carece de investigações experimentais, pela falta de modelos e metodologias direcionadas para tal objetivo.
Frente à escassez metodológica para uma investigação experimental que forneça dados quantitativos sobre a posição e orientação das costelas em função do tempo, e à ausência de trabalhos que investiguem a movimentação das costelas durante a respiração, apresentamos um novo método baseado em videogrametria para a análise experimental dos movimentos das costelas durante a respiração. A metodologia foi inicialmente proposta durante o mestrado, o qual foi defendido no ano 2003 na Faculdade de Educação Física da Universidade Estadual de Campinas (Sarro et al., 2003). A metodologia proposta foi capaz de identificar os movimentos da caixa torácica durante a respiração, descrevendo-os por diferentes variáveis, como distâncias ântero-posteriores e transversais da caixa torácica ao nível de cada par de costelas, distância intercostal e variação angular das costelas. Algumas destas variáveis foram escolhidas por permitirem a comparação com a literatura científica, enquanto outras foram propostas como uma forma de descrição mais detalhada e abrangente da movimentação da caixa torácica.
O presente trabalho apresenta de forma completa a metodologia para análise da movimentação da caixa torácica, apresentando a validação da mesma e exemplificando sua aplicação para a diferenciação da movimentação das costelas em diferentes grupos. O método foi validado a partir de experimentos que analisaram os erros relacionados ao sistema de análise cinemática e experimentos para calcular a movimentação relativa entre os marcadores de superfície e as estruturas ósseas, conhecida como deslizamento de pele, bem como sua influência na determinação da orientação das costelas. Foi aplicado com sucesso na análise de padrões respiratórios, diferenciando nadadores de não atletas: identificou padrão paradoxal da movimentação das costelas em sujeitos saudáveis não-atletas e verificou que nadadores apresentam um padrão mais coordenado de movimentação das costelas quando comparados a um grupo controle, apontando a influência do treinamento em natação nos músculos respiratórios.
Parte dos experimentos de validação foi conduzida no Hospital Niguarda (Milão - Itália) graças a uma parceria com o Laboratório de Análises Respiratórias da Escola Politécnica de Milão sob a supervisão do Professor Doutor Andrea Aliverti e com o auxílio das engenheiras Caterina Salito e Elena Magalotti.
O texto foi estruturado na forma de artigos científicos, reunindo a produção científica resultante desse período de doutorado. O primeiro capítulo traz o artigo “Análise das variações ântero-posteriores e transversais da caixa torácica durante a respiração usando videogrametria”, o qual faz uso da videogrametria para analisar as variações das distâncias ântero-posteriores e transversais em dez regiões distintas do gradil costal, correspondendo à movimentação das 10 primeiras costelas durante a respiração.
O segundo capítulo traz o artigo “Proposition and evaluation of a novel method to measure 3D ribs motion based on videogrammetry”, o qual apresenta uma revisão da literatura encontrada sobre análise da movimentação das costelas, a descrição do sistema de análise cinemática utilizado, o detalhamento do modelo de representação adotado e a forma de quantificação e caracterização da movimentação das costelas. Também traz um exemplo de aplicação da metodologia, comparando um grupo de sujeitos saudáveis a um grupo de atletas de natação, mostrando a capacidade da metodologia em identificar e diferenciar os movimentos respiratórios em diferentes grupos.
O terceiro capítulo mostra o trabalho “Coordination between ribs motion and thoracoabdominal volumes in swimmers”, o qual faz uma análise da correlação entre a variação
dos volumes parciais do tronco e a variação angular das diferentes costelas com o objetivo de verificar se nadadores apresentam melhor coordenação dos movimentos respiratórios. Por último o texto apresenta as considerações finais e as perspectivas futuras.
Capítulo 1
ANÁLISE DAS VARIAÇÕES ÂNTERO-POSTERIORES E
TRANSVERSAIS DA CAIXA TORÁCICA DURANTE A
RESPIRAÇÃO USANDO VIDEOGRAMETRIA
Karine Jacon Sarro, Ricardo Machado Leite de Barros
Laboratório de Instrumentação para Biomecânica - DEM - FEF - UNICAMP
Abstract
The purpose of this work is to obtain a quantitative experimental analysis of anterior-posterior and lateral motion of the rib cage during respiration at quite breathing (QB) and vital capacity (VC) using videogrammetry. With a 3D kinematics system of human motion analysis (Dvideow), the trajectory of 36 landmarks fixed on the rib cage of 10 healthy subjects was obtained. The linear distances were calculated in function of time between the markers on the lateral extremities of each right and left rib and between the markers on the thoracic vertebrae and on the sternum, representing the variation of the lateral (DT) and anterior-posterior (DAP) distances of the rib cage at the level of the 10 upper ribs. All the ribs showed DAP and DT variation coherent with the respiratory cycle. The DAP median values increased from the first to the sixth rib in female group, and decreased from the sixth to the tenth rib. The DT median values increased from the first to the fourth rib in all the subjects. DAP coefficient of variation from the first to the sixth rib was significantly smaller (p<0.05) than from the eighth to the tenth rib during
VC maneuver. DT coefficient of variation from the first to the sixth rib was significantly smaller
than from the eighth to the ninth rib during QB maneuver. The results showed that the methodology was able to detect rib cage motions and it was useful to understand these motions during respiratory maneuvers.
Introdução
A respiração, em especial a fase de ventilação, é um ato dinâmico dependente principalmente da ação dos músculos respiratórios, os quais através de sua ação coordenada geram variações de volume na caixa torácica. Restringindo-se apenas ao aspecto motor da respiração, uma descrição bastante difundida da movimentação dos componentes osteoarticulares da caixa torácica é basicamente qualitativa, atribuindo à mesma dois movimentos principais: um movimento similar ao de um “braço de bomba” e outro ao de uma “alça de balde”, os quais aumentariam respectivamente a distância ântero-posterior e transversal do gradil costal (Macconaill e Basmajian, 1977, De Troyer, 1989, Kapandji, 2000, Silveira, 2000, Levangie e Norkin, 2001).
Um dos primeiros estudos quantitativos experimentais sobre a movimentação da caixa torácica relatado na literatura é o de Konno e Mead (1967), que verificaram as variações ântero-posteriores da caixa torácica em movimentos selecionados através de um modelo de representação que atribuiu apenas um grau de liberdade à movimentação da caixa torácica. Posteriormente, Ward et al. (1992) analisaram os movimentos da parede torácica através de um modelo de dois compartimentos para representar a caixa torácica.
Baseados principalmente no modelo proposto por Konno e Mead (1967), diversos autores vêm utilizando a pletismografia respiratória por indutância (RIP) (Lopata et al., 1985, Martinot-Lagarde et al., 1988, Watson et al., 1988) e o magnetômetro (Konno e Mead, 1967, Mead et al., 1967) para analisar a movimentação da caixa torácica e do abdômen associada às variações volumétricas do tronco (Goldstein e Mead, 1980, Tobin et al., 1983a). Outro método utilizado para analisar as distâncias da caixa torácica foi baseado em imagens de raio-x, sendo utilizado com o objetivo de caracterizar as dimensões da caixa torácica (Bellemare et al., 2001, Bellemare et al., 2003).
A análise cinemática tridimensional de movimentos foi utilizada por Ferrigno et al. (1994), dentre outros, para calcular a variação de volume da parede torácica, e não foram encontrados na literatura trabalhos experimentais que tratassem da descrição tridimensional da movimentação dos segmentos osteoarticulares da caixa torácica.
Frente à importância da respiração como ato motor vital e à escassez metodológica para uma investigação experimental que forneça dados quantitativos sobre a
movimentação dos diversos segmentos da caixa torácica, o presente trabalho teve por objetivo analisar as variações das distâncias ântero-posteriores e transversais em dez regiões distintas do gradil costal, correspondendo às 10 primeiras costelas, através de uma metodologia baseada em videogrametria.
Metodologia
A metodologia para a descrição dos movimentos da caixa torácica consistiu nas seguintes etapas básicas: a) Construção de um modelo de representação da caixa torácica como um sistema de corpos rígidos articulados, sendo utilizado um conjunto de 36 marcadores posicionados sobre acidentes ósseos da caixa torácica. b) Obtenção das coordenadas espaciais dos marcadores a partir de um sistema de análise cinemática de movimentos. c) Cálculo das distâncias lineares entre os marcadores em função do tempo.
Modelo de Representação da Caixa Torácica
O modelo consistiu em 36 marcadores esféricos retrorefletivos com 5 mm de diâmetro posicionados nas seguintes referências anatômicas: processo espinhoso da primeira a décima vértebra torácica, extremidade lateral da primeira a décima costela direita e esquerda, e seis pontos no esterno, no nível correspondente às primeiras seis cartilagens costais (figura 1).
Figura 1: Disposição dos marcadores no voluntário (B e C) e na caixa torácica (A e D), mostrando o efeito retrorefletivo dos mesmos.
Sistema para Análise Cinemática Tridimensional
Para analisar os movimentos da caixa torácica foi utilizado o sistema Dvideow (Barros et al., 1999, Figueroa et al., 2003), o qual obtém as coordenadas tridimensionais de marcadores passivos a partir de imagens obtidas por câmeras de vídeo. Foram utilizadas 5 câmeras de vídeo digitais JVC padrão NTSC, dispostas três à frente e duas atrás do sujeito, com freqüência de amostragem igual a 60 Hz. O registro das imagens foi feito em um espaço previamente calibrado em relação a um sistema de coordenadas predefinido. As medições das projeções dos marcadores nas seqüências de imagens foram feitas simultaneamente para os 36 marcadores de maneira automática, usando um algoritmo de processamento de imagens baseado em morfologia matemática. Foram, então, reconstruídas as coordenadas tridimensionais dos marcadores. Os processos de calibração e reconstrução tridimensional foram realizados segundo o método DLT (Direct Linear Transformation) (Abdel-Aziz e Karara, 1971), o qual está implementado no sistema Dvideow.
Sujeitos e Procedimentos Experimentais
Foram estudados 10 voluntários com idade entre 18 e 27 anos, sendo seis do sexo masculino e quatro do sexo feminino, não fumantes e sem história de patologias do sistema respiratório e/ou neuromuscular, aleatoriamente selecionados entre estudantes de educação física. Os sujeitos do sexo feminino apresentaram massa igual a 54,05 (± 3,19) kg e estatura igual a 1,63 (± 0,10) m, enquanto os sujeitos de sexo masculino apresentaram massa igual a 70,93 (± 7,74) kg e estatura igual a 1,82 (± 0,30) m. De acordo com a ética em pesquisa com seres humanos, os voluntários foram esclarecidos quanto aos procedimentos do experimento, outorgando seu consentimento por escrito.
Os sujeitos permaneceram na posição sentada, em uma cadeira adaptada para o estudo em que se ajustou a abdução de ombros para aproximadamente 70º, mãos sobre um apoio adaptado à cadeira, quadris e joelhos com flexão próxima a 90º e pés apoiados no solo. Foram advertidos para que não elevassem os ombros e/ou inclinassem o tronco durante a realização das manobras respiratórias.
O procedimento experimental consistiu no registro em vídeo de duas manobras respiratórias distintas:
i) Volume corrente (VC): cada sujeito permaneceu inspirando e expirando espontaneamente por alguns minutos para que houvesse um período de adaptação ao ambiente em que o experimento foi realizado. Não foram fixados valores de freqüência respiratória ou amplitude. A aquisição das imagens foi feita por aproximadamente 50 segundos e os sujeitos não foram avisados sobre seu início para que a respiração fosse o mais natural possível.
ii) Capacidade vital (CV): foram realizados 5 ciclos respiratórios em capacidade vital. Esta manobra foi treinada previamente e durante a filmagem os sujeitos foram incentivados por um examinador para que mobilizassem o maior volume de ar possível.
Variáveis Experimentais
No presente trabalho a caracterização dos movimentos de cada uma das costelas durante a respiração foi feita a partir do cálculo das distâncias lineares entre os marcadores posicionados no gradil costal. As distâncias ântero-posteriores (DAP) foram obtidas a partir das coordenadas tridimensionais dos marcadores situados no esterno e no processo espinhoso das vértebras torácicas de um a dez, correspondentes a cada costela. Os marcadores correspondentes às vértebras de T7 a T10 tiveram suas distâncias calculadas com o marcador situado na região do esterno correspondente a sexta costela, ou seja, com o marcador situado na porção mais inferior do esterno. As distâncias transversais (DT) foram obtidas a partir das coordenadas tridimensionais dos marcadores situados na extremidade lateral da costela direita e esquerda, da primeira até a décima costela.
O cálculo da distância entre dois marcadores representados pelos pontos m e n no espaço foi dado, em um instante ti, por:
) ( ) ( ) ( ,n i m i n i m t P t P t d = r − r ( 1 )
, em que ti é o i-ésimo instante em que foi feita a medição.
Considerando que o sistema utilizado fornece as posições 3D dos marcadores posicionados sobre a caixa torácica, as distâncias obtidas correspondem à distância no espaço, e não à distância projetada, independendo do sistema de coordenadas utilizado como referência. A variação da distância entre os marcadores em função do tempo representa a expansão e retração da caixa torácica durante a respiração e como foi calculada ao nível dos dez primeiros pares de
costelas permite verificar a expansão e retração da caixa torácica nestes dez níveis e identificar se existem diferenças em relação à movimentação durante os ciclos respiratórios.
Para que fosse possível uma comparação entre os valores absolutos das DAP e
DT entre os sujeitos, adotou-se o valor médio da curva de variação da DAP e da DT em função
do tempo como estimador desta variável. A partir dos valores médios encontrados para cada sujeito, calculou-se a média e o desvio-padrão das medidas em cada grupo (masculino e feminino). Estes valores estão relacionados às dimensões médias da caixa torácica dos sujeitos de cada grupo, fornecendo informações associadas a antropometria dos sujeitos. Como as dimensões absolutas da caixa torácica são afetadas pelo gênero (Bellemare et al., 2003), essas variáveis foram analisadas separadamente para os sujeitos do sexo masculino e feminino.
Para quantificar a movimentação relativa de cada par de costelas durante as manobras respiratórias, utilizou-se o coeficiente de variação das curvas de DAP e DT em função do tempo. O coeficiente de variação é dado pela razão entre o desvio-padrão e a média dos valores. A análise do coeficiente de variação foi feita com o intuito de eliminar a influência da diferença de dimensão das costelas bem como do tamanho do tórax de cada sujeito nas variáveis, considerando-se todos os sujeitos conjuntamente uma vez que se trata de uma medida relativa.
Análise Estatística
Para a apresentação e comparação dos múltiplos resultados obtidos no estudo, entre diferentes pares de costelas ou entre gênero, utilizou-se a representação na forma de desenho esquemático ou Box Plot. Cada caixa do desenho esquemático é delimitada pelos valores correspondentes ao primeiro quartil e pelo terceiro quartil, tendo a indicação da mediana (segundo quartil) no seu interior. A distância entre a extremidade superior e inferior do box representa a distância interquartílica. A partir da extremidade superior e inferior do box estendem-se linhas mostrando a distribuição do restante dos valores. Valores extremos (Outliers) são valores maiores (ou menores) que 1,5 vez a distância interquartílica e são representados pelo sinal “+”, acima ou abaixo da caixa. Os chanfros em torno da mediana fornecem uma medida da significância robusta das diferenças entre os valores. Especificamente, se os chanfros (intervalos de confiança) em torno de duas medianas não se sobrepõem, as medianas são significativamente diferentes a um nível de 95% (Mcgill et al., 1978). Os dados foram analisados segundo estas
definições. Esta técnica está implantada no software Matlab ®, versão 6.3, ambiente no qual as análises foram realizadas.
Resultados
A figura 2 exemplifica as variações das distâncias ântero-posteriores e transversais do gradil costal em função do tempo de um dos sujeitos do sexo masculino durante respiração em capacidade vital. Pode-se perceber um sinal coerente com o ciclo respiratório em todas as costelas, a diferença entre as distâncias médias e a diferença na variação apresentada pelas diferentes costelas.
Figura 2: Variação da distância ântero-posterior (DAP) e da distância transversal (DT) em função do tempo, calculada ao nível dos dez primeiros pares de costelas de um dos sujeitos durante a respiração em capacidade
A tabela 1 mostra os valores médios e de desvio padrão das distâncias ântero-posteriores e transversais médias das costelas de 1 a 10 encontrados nos sujeitos do sexo masculino e feminino durante respiração VC e capacidade vital CV.
Tabela 1: Valores médios e de desvio padrão, medidos em centímetros, das distâncias ântero-posteriores e transversais médias das costelas de 1 a 10 encontrados nos sujeitos do sexo masculino (n=6) e feminino (n=4)
durante respiração em volume corrente (VC) e capacidade vital (CV).
Manobra respiratória em VC Manobra respiratória em CV
Grupo Masculino Grupo feminino Grupo masculino Grupo feminino
costela DAP(SD) DT(SD) DAP(SD) DT(SD) DAP(SD) DT(SD) DAP(SD) DT(SD)
1 14,5(1,4)* 12,4(2,0)* 14,8(0,3)* 9,7(0,6)* 14,3(1,4)* 11,8(2,5)* 14,9(0,4)* 9,7(0,6)* 2 17,5(1,3) 21,1(1,8)* 17,8(0,6)* 19,0(1,6)* 17,3(1,3) 21,3(1,7)* 17,9(0,6)* 19,1(1,6)* 3 19,5(1,6) 25,1(1,4)* 19,2(1,0) 22,8(2,1)* 19,2(1,6) 25,5(1,3)* 19,2(0,8) 22,9(2,2)* 4 21,0(1,9) 28,8(1,5)* 20,2(1,0) 27,0(2,4)* 20,6(1,9) 28,9(1,3)* 20,1(0,8) 27,2(2,4)* 5 22,1(1,9) 29,1(1,9) 20,8(1,0)* 28,8(1,3) 21,8(1,8) 28,9(1,7)* 20,9(0,9)* 28,8(1,3) 6 22,5(1,9) 28,6(1,8) 21,3(1,0)* 28,4(1,4) 22,2(1,7) 28,6(1,8) 21,1(0,9)* 28,4(1,3) 7 21,7(2,0) 28,0(1,7) 20,5(0,9) 27,1(1,6) 21,3(1,8) 28,1(1,8) 20,2(0,8) 27,7(1,4)+ 8 21,0(2,1) 27,4(1,5) 19,7(0,7) 26,3(1,7) 20,6(1,9) 27,5(1,5) 19,4(0,7) 26,5(1,6) 9 20,4(2,1) 26,8(1,2) 18,8(0,3) 25,7(1,8) 20,0(2,1) 26,9(1,3) 18,6(0,8) 25,8(1,7) 10 20,2(2,1) 26,4(1,1) 18,4(0,3) 25,3(2,3) 19,8(2,2) 26,4(1,1) 18,2(1,2) 25,3(2,2) * diferença estatística (p<0,05)
+ valores perdidos para um dos sujeitos devido a oclusão do marcador
As DAP médias da 1ª costela foram significativamente menores (p<0,05) em ambos os grupos estudados. De maneira geral, a mediana da distribuição dos valores médios da
curva de variação da DAP dos dois grupos tendeu a crescer da 1ª até a 6ª costela, decrescendo a partir deste nível e tornando-se semelhante na região correspondente às duas últimas costelas. Os valores médios da DAP da 2ª costela encontrados no grupo feminino foram estatisticamente diferentes, sendo maiores que a 1ª costela e menores que as demais. No mesmo grupo, os valores das costelas 5 e 6 foram estatisticamente maiores que as costelas 1, 2, 3, 8, 9 e 10. O grupo masculino apresentou maior variabilidade e não apresentou diferenças significativas para os valores apresentados pelas costelas de 2 a 10. Em relação à distribuição dos valores médios da curva de variação da DT, a mediana tendeu a crescer até a 5ª costela, mantendo valores semelhantes da 5ª até a 10ª costela. As diferenças foram estatisticamente significativas (p<0,05) para as costelas de 1 a 4 em ambos os grupos, onde os valores da 1ª costela foram os menores, os valores da 2ª costela foram maiores que os da 1ª e menores que as demais costelas, os valores da 3ª costela foram maiores que a 1ª e 2ª costelas e os valores da 4ª costela foram maiores que a 1ª, 2ª e 3ª costelas.
A figura 3 mostra os resultados referentes ao coeficiente de variação das distâncias ântero-posteriores (figuras A e B) e transversais (figuras C e D) apresentado pelos sujeitos durante respiração em volume corrente e capacidade vital.
Figura 3: As figuras A e B apresentam respectivamente o coeficiente de variação das distâncias ântero-posteriores (DAP) durante respiração em volume corrente (VC) e capacidade vital (CV) enquanto as figuras C
e D apresentam o coeficiente de variação das distâncias transversais (DT) durante respiração em volume corrente (VC) e capacidade vital (CV). Cada box apresenta a distribuição dos valores obtidos pelos 10 sujeitos
para uma determinada costela. A não sobreposição das regiões chanfradas dos Box plots indica diferença significativa entre as medianas ao nível de 95%.
Como pode ser visto na figura 3-A, não foram encontradas diferenças estatisticamente significativas entre os valores do coeficiente de variação das distâncias ântero-posteriores apresentados pelas diferentes costelas durante respiração em VC. Os intervalos de confiança encontram-se sobrepostos, e todos os pares de costelas apresentaram coeficiente de variação menor que 1%. Entretanto, durante a respiração em CV (figura 3-B) houve diferença estatisticamente significativa entre as costelas de um a seis e as costelas de oito a dez. A variabilidade dos valores encontrados foi maior na respiração em CV quando comparada aos valores encontrados durante respiração em VC, e o coeficiente de variação foi maior na respiração em CV, apresentando significância estatística.
Em relação ao coeficiente de variação das distâncias transversais, durante a respiração em VC (figura 3-C) os valores foram menores que 1% para todas as costelas, mas foram estatisticamente menores nas costelas de um a seis que nas costelas oito e nove. Também houve diferença significativa entre as manobras respiratórias, sendo que a maior variabilidade foi encontrada durante a respiração em CV. Não foram encontradas diferenças significativas entre o coeficiente de variação das distâncias transversais de cada costela durante a respiração em CV (figura 3-D).
Discussão e conclusões
Fazendo algumas considerações sobre a metodologia aplicada, as vantagens são, principalmente, a consideração das informações temporais e a possibilidade de abranger a anatomia detalhada do gradil costal no espaço tridimensional, permitindo uma análise dinâmica dos movimentos apresentados pelas diferentes costelas em função do tempo e, portanto, durante todo o ciclo respiratório. Além disto, pode ser associada à análise quantitativa uma análise qualitativa, visto que o sistema Dvideow obtém imagens de vídeo que são armazenadas, ao contrário dos sistemas para análise cinemática que utilizam câmeras que reconhecem apenas luz infravermelha, onde as imagens do sujeito não são obtidas. Neste trabalho, os sujeitos foram analisados apenas na posição sentada, mas também é possível fazer a análise em outras posições, contanto que não permitam a oclusão dos marcadores.
Como a metodologia utiliza marcadores sobre a pele para representar a movimentação da caixa torácica, uma movimentação de massa muscular dissociada da
respiração, ou mesmo uma grande concentração de tecido adiposo ou mamas avantajadas, poderiam alterar os valores experimentais obtidos. Assim, os voluntários foram selecionados de maneira a evitar essas situações.
Os resultados alcançados através da análise cinemática tridimensional mostram que as menores distâncias ântero-posteriores e transversais médias foram encontradas ao nível da primeira costela, identificando o menor tamanho desta em relação às demais bem como o menor diâmetro da abertura torácica superior. A distância transversal média encontrada na primeira costela no grupo masculino em VC e CV foi, respectivamente, 12,4 ± 2 cm e 11,8 ± 2,5 cm, enquanto no grupo feminino foi 9,7 ± 0,6 cm nas duas manobras respiratórias. O valor da distância transversal ao nível da primeira costela descrito por Gray (1918) é aproximadamente 10 cm, estando entre os valores encontrados nos resultados deste trabalho.
Em relação às distâncias transversais médias, os valores das medianas apresentaram-se de forma significativamente crescente da primeira à quinta costela, não havendo diferença estatística a partir da quinta até a décima costela. Este resultado não concorda com Pastalanga et al. (2000), que afirmaram que o diâmetro transversal da caixa torácica aumenta até a nona costela.
As distâncias ântero-posteriores médias apresentaram-se de maneira crescente da primeira costela até a quinta, e decrescentes da sexta até a nona costela com significância estatística para o grupo feminino, de acordo com a convexidade da superfície posterior da caixa torácica e mantendo coerência com a cifose dorsal, indo de encontro às afirmações de Gray (1918).
Os valores médios das distâncias ântero-posteriores foram menores que as distâncias transversais ao nível de todas as costelas, identificando a forma achatada da caixa torácica no sentido ântero-posterior, e concordando com as afirmações de todos os autores estudados.
Bellemare et al. (2001) mediram as distâncias ântero-posteriores e transversais da caixa torácica em capacidade pulmonar total através de imagens de raio-x. As medidas ântero-posteriores e transversais foram feitas, respectivamente, ao nível de T5, T7 e T9, e na região da 3ª, 6ª e 9ª costelas, e os resultados apresentados referem-se à média destas medidas. A distância transversal média encontrada neste trabalho levando-se em consideração as mesmas regiões descritas acima foi igual a 26,9 cm, diferindo apenas em milímetros do valor de 26,21 cm
encontrado por Bellemare et al. (2001). Já a distância ântero-posterior medida por eles foi igual a 13,64 cm, menor que a encontrada neste trabalho, igual a 21,3 cm. Entretanto, a medida realizada por raio-x não incluiu o tamanho da vértebra torácica, visto que foi feita entre a extremidade anterior do corpo vertebral e o esterno. Já a medida realizada neste trabalho foi entre o marcador situado no processo espinhoso da vértebra e o esterno, incluindo, portando o tamanho da vértebra. As distâncias ântero-posterior e transversal médias encontradas por Vellody et al. (1978) ao nível da 5ª costela de sujeitos do sexo masculino através do uso de magnetômetros foram iguais a 27 cm e 34 cm respectivamente, maiores do que os resultados aqui apresentados (22,1 ± 1,9 cm e 29,1 ± 1,9 cm).
As distâncias ântero-posterior e transversal médias ao nível da décima costela nos sujeitos do sexo masculino (20,2 ± 2,1 cm e 26,4 ± 1,1 cm) também foram menores quando comparadas aos valores encontrados por Loring et al. (1985) através de um compasso antropométrico, iguais a 23,5 e 32,3 cm. Contudo, a amostra destes autores foi composta apenas por três voluntários do sexo masculino.
O coeficiente de variação das distâncias ântero-posteriores foi significativamente maior nas costelas oito, nove e dez durante a respiração em CV, enquanto percebemos uma maior variação da distância transversal nas costelas oito e nove durante a respiração em VC. Estes resultados não condizem inteiramente com a teoria mais difundida, mas a controvérsia existente na literatura sobre os mecanismos e tipos de movimentos de cada costela já foi levantada por Levangie e Norkin (2001): “Kapandji (2000) e outros autores acreditam que as articulações costovertebrais e costotransversais estão mecanicamente ligadas através de um único eixo que passa pelo centro de ambas as articulações. Saumarez (1986) argumenta que a costela é rígida e, portanto, não pode rodar sobre um único eixo, mas move-se como rotações sucessivas ao redor de um eixo móvel”.
Baseados na idéia de um único eixo, o qual é mais próximo do plano frontal nas costelas superiores e vai inclinando-se em direção ao plano sagital quanto mais baixa a costela, Kapandji (2000), De Troyer (1989), Levangie e Norkin (2001), Pastalanga et al. (2000), afirmam que a movimentação das costelas superiores (costelas verdadeiras) aumenta o diâmetro ântero-posterior, enquanto o movimento das costelas inferiores (costelas falsas) aumenta o diâmetro transversal da caixa torácica. Entretanto, estas afirmações são baseadas em análises qualitativas, obtidas geralmente através da observação de cadáveres e peças anatômicas.
Todas as costelas estão ligadas direta ou indiretamente ao esterno e este é levado para cima e para frente pela elevação das primeiras costelas, como descrito por Gray (1918) e outros autores, contribuindo para o aumento do diâmetro ântero-posterior. Gray (1918) afirma que o manúbrio do esterno é levado para cima pela elevação da primeira costela. Quando o movimento do manúbrio é interrompido pela menor amplitude de movimento da primeira costela, o corpo do esterno é levado para cima e para frente pela elevação das costelas de 3 a 6, gerando movimentação na articulação manubrioesternal que, segundo Pastalanga et al. (2000), varia aproximadamente 7°. O deslocamento anterior da porção final do esterno pode explicar a maior variação da distância ântero-posterior encontrada nas costelas de oito a dez, visto que estas distâncias foram calculadas entre o processo espinhoso de T8, T9 e T10 e o ponto mais inferior do esterno.
Ainda segundo Gray (1918), a variação dos diâmetros transversais das costelas verdadeiras é explicado da seguinte maneira: quando o movimento do esterno chega ao seu limite, a porção média do corpo das costelas é elevada e, portanto, o ângulo condrocostal é aberto, aumentando o diâmetro transversal.
Os resultados mostraram que a metodologia usada foi capaz de registrar simultaneamente as variações tanto da DAP como da DT, durante as manobras respiratórias, resultados ainda não descritos na literatura, uma vez que até o momento apenas valores obtidos em situação estática são reportados. Alguns valores encontrados foram compatíveis com os obtidos e/ou descritos por outros autores. Entretanto, foram apresentados novos valores experimentais da variação do gradil costal que contribuem para a discussão do problema da movimentação da caixa torácica, questão ainda aberta na literatura devido à escassez de dados quantitativos.
Agradecimentos
Este trabalho foi financiando pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo - Fapesp (processo 00/01293-1) e pela Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Capes.
Capítulo 2
PROPOSITION AND EVALUATION OF A NOVEL METHOD TO
MEASURE 3D RIBS MOTION BASED ON VIDEOGRAMMETRY
Karine Jacon Sarro1, Amanda Piaia Silvatti1, Andrea Aliverti2, Ricardo M. L. Barros1
1
Laboratory of Instrumentation for Biomechanics – College of Physical Education Campinas State University – Campinas (SP), Brazil
2
Dipartimento di Bioingegneria – Politecnico di Milano – Milan, Italy
Abstract
A novel method based on kinematical analysis is proposed to describe the three-dimensional motion of the ribs during breathing. The 3-D coordinates of markers on the ribs and vertebrae were used to calculate the orientation of the ribs in function of time. A test that measured the relative motion between the markers and the ribs using magnetic resonance revealed that the skin motion artifact found in 3D kinematical analysis of the ribs was smaller (absolute mean value 3.9 mm) than that one found in the kinematics of other segments. The method identified a signal coherent with the breathing cycle for the angles of the ribs around the quasi-transversal axis. The method was also able to distinguish subjects with a paradoxal movement and showed that swimmers presented greater angular variation for all ribs, and greater correlation between the curves of the angles (p<0.05). In conclusion, this study has shown the feasibility of using 3-D kinematic analysis to evaluate the movement of the ribs and their coordination during breathing as well as its potential in the identification of differences in the behavior of the ribs motion among themselves and in trained swimmers and untrained subjects.
Introduction
The rib cage is a complex structure which moves due to the coordinated action of the respiratory muscles, which increases its volume promoting changes in the pressure in the lungs and the consequent ventilation. Thus one of the functions of the ribs is related to their motion, which, by the contraction of the respiratory muscles, leads to an expansion in lung volume.
Although the evidences that the unitary behavior of the rib cage is the result of the highly coordinated action of the respiratory muscles rather than the rigidity of the rib cage (Saumarez, 1986), the three dimensional motion of the ribs was not studied during breathing. The kinematic analysis is a method widely used to study human motion in function of time, especially in the field of gait analysis and sports, and could be used to obtain information about the position and orientation of the ribs during breathing. This information is essential to understand how the rib cage alters its geometry in order to maximize and minimize the enclosed volumes and since the rib cage is acted upon by different respiratory muscles the effects of their action could be better studied with a detailed 3D description of the resulting motion. Furthermore, three-dimensional information about ribs motion during breathing could be useful in promoting a better understand of alterations in the movements of the ribs and in the chest wall mobility caused by diseases and the practice of sports (Kenyon et al., 1997, HaweseBrooks, 2001, Fregonezi et al., 2005, Ersoz et al., 2006). The most used method to evaluate chest wall mobility in the rehabilitation environment is based on a tape measure placed at the rib cage or abdomen while the patient holds his breath in two different lung volumes (Scarpa et al., 2004). A more precise method allows a better evaluation of the evolution of the patient leading to a more appropriate treatment.
The position and orientation of the ribs have already been studied using a variety of models and approaches but none of them measured ribs motion as a function of time. Saumarez (1986) simulated the movements of the first 6 ribs using a mathematical model based on the joints of a cadaver and x-ray images, while finite element analysis was used by Loring (1992) to describe the action of the respiratory muscles. Neither method, however, was applied in in vivo experiments.
Rib orientation was investigated by Wilson et al. (1987) and Dansereau and Stokes (1988) using computed tomography scans and stereo-radiographs, respectively. They
measured the three dimensional coordinates of selected points on each rib and calculated the orientation of the plane best fitting the points for each rib to determine the angles between this plane and the horizontal for two different lung volumes.
X-ray images were also used by Kenyon et al. (1991) to construct a model of the rib cage. It was created on the basis of the coordinates of anatomical landmarks on the thoracic spine, ribs and sternum, identified over chest radiographs taken laterally and from a posterior-anterior position, under conditions of both residual volume and total lung capacity. This model represented rib motion by the difference between the positions of the bones for the two lung volumes. Applied to patients submitted to coronary artery bypass graft surgery, the model showed a reduction in rib motion after the procedure.
The disadvantages of the methods described above in positioning and orienting the ribs involve: a) non applicability in in vivo experiments (simulations); b) exposure to radiation; c) failure to supply dynamic information about rib trajectory between the two lung volumes studied; d) influence of the position of the patient and alignment of the two images when non-simultaneous images are used. These disadvantages could be avoided by using a method based on kinematic analysis. Thus, the purpose of the present study is to propose and evaluate a new method to measure the three-dimensional motion of the ribs based on videogrammetry, a non-invasive method which analyses motion as a function of time, having the possibility of measuring actual rib cage motion rather than simulating it, and providing detailed information on the rib arrangements in three dimensions. The evaluation of the method proposed was made by three tests: a test to calculate the accuracy of the kinematic analysis system used and its influence on the variables studied, a test to measure the relative motion between the surface markers and the underlying bones and a test to exemplify an application of the method, assessing its usefulness for elucidating differences in the motion of the ribs among populations.
Methods
The Dvideo kinematic analysis system (Figueroa et al., 2003) was used to obtain three-dimensional coordinates of passive markers on the image sequences captured by video cameras. Six JVC digital video cameras (NTSC, model GR-DVL 9500) were used at 60Hz, positioned 3 behind and 3 in front of the subject. The camera registers were synchronized as described previously (Barros et al., 2006). The markers were automatically tracked using
algorithms based on mathematical morphology and image processing tools (Figueroa et al., 2003). Camera calibration and 3D coordinate reconstruction were based on the direct linear transformation method (Abdel-Aziz and Karara, 1971).
In order to obtain a representation of the ribs and a reference for trunk orientation, 30 spherical retro-reflective markers (φ=5mm) were attached to the skin at the following landmarks: a) Spinous process from the first to the tenth thoracic vertebrae (10 markers); b) Lateral extremity of the second to the tenth pair of ribs (18 markers) (Fig. 1); c) posterior superior iliac spines (PSIS) (2 markers).
Figure 1: Representation of the rib cage using external markers (A and B) and the coordinate system associated with a pair of ribs (C).
Local coordinate systems were associated with each pair of ribs and with the trunk. The rib coordinate systems of each rib pair were determined from the markers fixed at the lateral extremities of the right and left ribs in conjunction with that on the correspondent thoracic vertebra (Fig. 1). The plane defined by these markers was oriented by a system of coordinates with the origin (O) at the spinal process, a quasi-transversal axis (k) (vector positive to left, with the origin at the marker placed at the right rib and the extremity at the marker placed on the left rib); a quasi-longitudinal axis (i) (the positive upward vector orthonormal to the plane), and a quasi-sagittal axis (j) (the positive forward vector resulting from the cross-product of the vectors
Trunk coordinate system involved two markers fixed over the PSIS and one located at the first thoracic vertebra. The origin (Ot) was defined as the mid point between the
right and left PSIS markers. The quasi-longitudinal axis (it) was defined by a positive upward
vector with the origin at Ot and extremity at the marker located on the first thoracic vertebra (T1).
The quasi-sagittal axis (jt) was defined by the positive forward vector orthonormal to the plane
defined by the markers on the PSIS and T1. The quasi-transversal axis (kt) (positive to left) was
defined by the cross-product of the vectors it and jt.
The rotation of each rib coordinate system with respect to the trunk coordinate system was decomposed using Euler angles, α, β and γ. The rotation sequence adopted was: a) rotation around the quasi-transversal axis (representing upward/downward motion); b) rotation around the quasi-sagittal axis (representing right and left inclination); c) rotation around the quasi-longitudinal axis (representing right and left rotation). The rotation angles were calculated as in (Vaughan et al., 1992).
It was obtained a series of curves representing the variation of each angle in function of time. From each curve, representing the motion of each pair of ribs, it were obtained mean values (α,β,γ ) and root mean square deviation values (αrmsd,βrmsd,γrmsd). The mean
values were calculated in an attempt to describe the mean angle of oscillation of the ribs, while the root mean square deviation (RMSD) was calculated to define the amplitude of rib displacement.
The cross correlation coefficient (r) between the curves of rotation angles of the ribs was calculated for each possible combination of ribs. This correlation coefficient was used to compare the intensity of the association of the movement of one rib with that of another. High positive correlation values indicate that two pairs of ribs move in phase, the movement is coordinated. High negative correlation values reveal that two pairs of ribs move in opposite phase. Values close to zero reveal a lack of a clearly identifiable pattern.
The possible errors introduced in the data by the system accuracy were evaluated. First, the accuracy of the method was tested. The distance between two markers mounted on an iron bar was calculated directly and by the coordinates obtained by the Dvideo system (experimental data) during 711 frames. Accuracy (a) was calculated as follows: a2=(p2+b2), where p2 is the precision of the experimental data and b is the bias based on the
measurement). To ascertain the effect of system error on the calculation of the angles of the ribs, the α angles of the ribs two to ten were calculated as described above for one frame using the 3D data of one subject. White noise, consisting of random uncertainties with a mean of zero, a standard deviation equal to the accuracy of the system and a normal distribution, was added to the coordinates of the markers. The α angles of the ribs were calculated one hundred times for the same frame using the disturbed coordinates aiming to evaluate their variability as a function of system error.
A test to ascertain the relative motion between the markers and the bonny structures due to the movement of the skin over the ribs was conducted at the Niguarda Hospital (Milan, Italy). A single male subject (34 years of age, 78 kg, 1.83 m) in a supine position was subjected to coronal Magnetic Resonance scans (Philips Infinion 1.5T, T2-weighted fast spin-echo, 8 mm slice thickness) while holding his breath at total lung capacity (TLC) and functional residual capacity (FRC) (Fig. 2); 18 markers visible to the MR scanner (bath pearls) were used, positioned from the second to the tenth right and left ribs. The MR images were segmented using a Matlab-Based Software Tool (CTMRedit) (Hasegawa-Johnson et al., 1999). Those slices where both markers and ribs were visible were selected (Fig. 2), and the centers of the markers and of the corresponding ribs were manually marked. These coordinates were then associated with the machine coordinates to get the 3-dimensional coordinates from which the linear distance between a marker and the corresponding rib was calculated. Two distances were obtained for each marker, one for the subject at functional residual capacity (representing empty lungs) and the other for the subject at total lung capacity (representing full lungs). The difference in the position of the ribs between functional residual capacity and total lung capacity represented the maximum displacement of the ribs during inspiration, situation where the highest skin movement artifact is expected. The difference between the distances measured in the two situations was assumed to be an estimation of the sliding of the skin in relation to the rib. It was expected that if the sliding was absent the distance between the rib and the marker would be the same, independent of the lung volume.
Figure 2: Magnetic resonance images exemplifying one slice taken during apnea in functional residual capacity (left) and one slice taken during total lung capacity (right). The surface markers positioned at the
ribs can be visualized in both images (arrows).
Attempting to assess the usefulness of the model for elucidating differences in the motion of the ribs among populations, a group of 15 male swimmers (SG) was compared to a control group of 17 healthy non-athletes (CG). The criteria for inclusion in the SG were the participation in training activities for swimming competitions for more than 3 years, with this training occurring at least three times a week or covering an average of over 30.000 meters/month. The mean age, weight and height of the swimmers were 20.9 (±2.3) years, 73.4 (±6.1) kg and 1.79 (±0.06) m, respectively. The CG was composed of male volunteers with no cardiopulmonary or postural diseases; they were non-swimmers, although they did exercise regularly. The mean age, weight and height of the non-athletes were 22.5 (±2.7) years, 73.1 (±9.9) kg and 1.78 (±0.06) m, respectively. The university ethics committee approved the research study (181/2003) and informed consent was obtained from all participants.
The participants remained seated on a chair without back support, in a position involving abduction of the shoulders, knee flexion and feet on the ground. They were asked to avoid any movement unrelated to breathing during the performance of the following tasks: a) quiet breathing: Each subject freely chose his breathing frequency and breathed normally during an adaptation period of approximately 60 seconds. After this, breathing cycles were recorded for approximately 60 seconds; b) vital capacity: Each subject performed 5 cycles of vital capacity breathing. This previously trained maneuver involved breathing as deeply as possible while being encouraged by the researcher.
