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Projeto de um dispositivo médico para apoio ao diagnóstico de patologias no tornozelo

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Academic year: 2020

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Ana Rita Machado Ferreira

Projeto de um dispositivo médico para apoio

ao diagnóstico de patologias no tornozelo

Ana Rita Machado Ferreira

4 Pr oje to de um dispositiv o médico par a apoio ao diagnós

tico de patologias no tor

nozelo

Universidade do Minho

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Dissertação de Mestrado

Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao

Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Trabalho efetuado sob a orientação do

Professor Doutor Filipe Samuel Correia Pereira da Silva

e coorientação do

Professor Doutor João Paulo Flores Fernandes

Ana Rita Machado Ferreira

Projeto de um dispositivo médico para apoio

ao diagnóstico de patologias no tornozelo

Universidade do Minho

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Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Work hard. Have fun. Make history. Jeffrey Bezos

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Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Agradecimentos

Ao Professor Filipe Silva e ao Professor Paulo Flores um muito obrigado é pouco para agradecer a disponibilidade e cooperação que permitiram a realização deste trabalho.

À Engenheira Ana Leal, ao Professor João Espregueira-Mendes, ao Doutor Hélder Pereira e ao Fisioterapeuta Rogério Pereira agradeço a sua essencial colaboração na integração da área médica que impreterivelmente constitui este projeto.

Aos meus amigos, ao Rúben, à Helena, ao José Afonso, ao Miguel, ao Paulo, ao Fernando e ao Tiago, não agradeço a colaboração neste trabalho mas em todo o percurso pessoal e académico ao longo dos últimos cinco anos.

À minha irmã, à minha mãe, aos meus avós e ao Bruno, não agradeço a vossa colaboração, agradeço todo o vosso trabalho, comigo e por mim.

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Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Resumo

De todo o sistema musculosquelético, a articulação tibiotársica é a que regista maior incidência de lesões de todas as articulações do corpo humano quer durante a realização de atividades diárias como na prática desportiva. A constante solicitação funcional do tornozelo, especialmente na realização de exercício físico ao qual está associada constantemente a necessidade de elevação do corpo face ao solo, tem como principal consequência a exposição dessa estrutura a condições críticas adversas aos requisitos ideais de equilíbrio e estabilização.

Um dos obstáculos ainda muito comum atualmente é o facto das etapas de análise e diagnóstico dessas lesões serem realizadas durante duas fases distintas: um exame manual feito pelo médico ortopedista com o intuito de avaliar a capacidade funcional recorrendo à simulação do movimento e à palpação da zona periférica da dor, e por um exame imagiológico, onde é avaliada a condição anatómica desse membro através da análise da posição relativa dos elementos.

O facto dos dois exames serem realizados em espaços de tempo diferentes dificulta a convergência dos resultados obtidos, diminuindo significativamente o efeito de complementaridade ao qual os dois deveriam estar associados. Por outro lado, com o recurso a este tipo de técnicas de diagnóstico não é possível alcançar o rigor e a reprodutibilidade que são indispensáveis num processo desta natureza. Assim, com o objetivo de facilitar e otimizar o processo de diagnóstico, tanto do ponto de vista do doente, como do dos radiólogos e ortopedistas, apresenta-se neste trabalho o projeto de um dispositivo médico para apoio ao diagnóstico de patologias no tornozelo.

Para o desenvolvimento do projeto foram estabelecidos os objetivos do trabalho de forma a definir as caraterísticas do produto final. Nesse sentido foram realizadas várias reuniões com a equipa de trabalho onde se estabeleceram os requisitos a que o produto deveria obedecer e que darão origem às especificações técnicas.

Para o projeto concetual o dispositivo foi dividido em três subsistemas para os quais foram propostas diferentes soluções, que mediante a sua viabilidade foram, ou não, modeladas tridimensionalmente. Depois de escolhida a melhor solução para cada subsistema ficou definida a solução final.

Com a solução adotada é possível associar a um exame imagiológico de precisão, como a Ressonância Magnética, um esforço físico. Desta forma permite a quantificação do limite móbil da estrutura de um tornozelo, o que constitui uma mais-valia para os profissionais de saúde e para os pacientes.

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Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Abstract

Of the entire musculoskeletal system, the hock joint is the one that registers the highest incidence of injuries of all joints in the human body, not only during daily activities but also in sports. The constant functional request of the ankle, especially during the practice of sports activities which are constantly associated with the need to raise the body relatively to the ground, has as main consequence the exposure of this structure to critical conditions that are the opposite of the ideal requirements of balance and stabilization.

One of the obstacles that is still very common nowadays is the fact that the analysis and diagnosis stages of these injuries are performed during two distinct phases: a manual examination done by an orthopedist in order to evaluate the functional capacity using the simulation of movement and palpation of the peripheral pain area, and through an imaging examination, where the anatomical condition of that member is evaluated by the analysis of the relative position of the elements.

The fact that the two tests are performed in different time slots, makes the convergence of the results obtained difficult, reducing significantly the effect of complementarity to which both should be associated. Moreover, with the use of such diagnostic techniques the accuracy and reproducibility that are essential in a process of this nature can’t be achieved. Thus, in order to ease and optimize the diagnostic process, the point of view of the patient's and also of radiologists and orthopedists is considered, and this way in this paper the design of a medical device to support the diagnosis of ankle pathologies is presented.

For the development of the project the goals of the work were established with the aim of define the final characteristics of the device. To achieve and define the main goals of the project several meetings were held with the work group, establishing the requirements that the product should obey and that will form the technical specifications.

For the conceptual design, the device has been divided in three subsystems for which different solutions have been proposed, and depending of their viability, were or not three-dimensionally modeled. After the selection of the best solution for each subsystem, the final solution for the device became fully defined.

With the adopted solution is possible to associate a physical effort to a precision imaging examination, such as MRI. This way it allows the quantification of the mobile limit of the ankle structure, which is an asset for health professionals and for the patients.

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Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Índice

Capítulo 1. Introdução ___________________________________________________________ 1

Capítulo 2. Caraterização da articulação do tornozelo _____________________________________ 7

2.1. Localização e função _______________________________________________________ 9 2.2. Anatomia e fisiologia ______________________________________________________ 10 2.2.1. Sistema esquelético ____________________________________________________ 10 2.2.2. Sistema articular ______________________________________________________ 13 2.2.3. Sistema muscular ______________________________________________________ 17 2.3. Cinesiologia da articulação __________________________________________________ 20 2.3.1. Movimento de rotação ___________________________________________________ 23 2.3.2. Movimentos de flexão e extensão ___________________________________________ 25 2.3.3. Movimentos de eversão e inversão __________________________________________ 27 2.3.4. Movimentos de abdução e adução __________________________________________ 29 2.3.5. Movimentos de supinação e pronação _______________________________________ 30 2.3.6. Movimentos de translação anterior e posterior _________________________________ 31

Capítulo 3. Patologias, métodos e meios _____________________________________________ 33 3.1. Lesões que afetam a articulação do tornozelo ____________________________________ 35

3.1.1. Entorse lateral ________________________________________________________ 36 3.1.2. Instabilidade astrágalo-calcaneana __________________________________________ 39 3.1.3. Entorse medial ________________________________________________________ 40 3.1.4. Entorse alta do tornozelo (sindesmose) _______________________________________ 41

3.2. Métodos de avaliação das principais lesões ______________________________________ 43

3.2.1. Exame físico __________________________________________________________ 43 3.2.2. Exame imagiológico ____________________________________________________ 47

3.3. Dispositivos de auxílio ao diagnóstico __________________________________________ 49

3.3.1. Goniómetro universal ___________________________________________________ 50 3.3.2. Telos Stress Device _____________________________________________________ 50 3.3.3. Porto Knee Testing Device (PKTD) __________________________________________ 51 3.3.4. Comparação entre os dispositivos existentes ___________________________________ 52

Capítulo 4. Projeto do novo dispositivo _______________________________________________ 53

4.1 Metodologia de projeto _____________________________________________________ 55

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Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

4.2.1 Definição dos objetivos __________________________________________________ 56 4.2.2 Definição dos requisitos __________________________________________________ 58 4.2.3 Definição das especificações técnicas ________________________________________ 62

4.3 Projeto concetual_________________________________________________________ 64

4.3.1 Modelo de encaixe no Porto Knee Testing Device ________________________________ 65 4.3.2 Modelo de suporte e fixação do pé __________________________________________ 66 4.3.3 Modelo para a execução dos movimentos _____________________________________ 69 4.3.4 Projeto técnico dos componentes ___________________________________________ 80

4.4 Análise da solução final ____________________________________________________ 90

4.4.1 Reprodução do movimento de translação anterior _______________________________ 92 4.4.2 Reprodução do movimento de translação posterior ______________________________ 93 4.4.3 Reprodução dos movimentos de rotação lateral e medial __________________________ 94 4.4.4 Reprodução dos movimentos de eversão e inversão ______________________________ 96

Capítulo 5. Validação e otimização _________________________________________________ 97

5.1. Validação do dispositivo ____________________________________________________ 99 5.2. Otimização ____________________________________________________________ 101 5.2.1. Estrutura interna ______________________________________________________ 102 5.2.2. Seleção do material ___________________________________________________ 103 5.2.3. Processo de fabrico ___________________________________________________ 104 5.2.4. Análise do PKTD ______________________________________________________ 107 5.3. Análise de custos _______________________________________________________ 108

Capítulo 6. Conclusões e trabalhos futuros __________________________________________ 113 Referências Biliográficas __________________________________________________________ 119 Anexo A. Glossário ______________________________________________________________ 131 Anexo B. Excerto da Ficha Técnica do poliacetal _________________________________________ 135 Anexo C. Ficha Técnicas do PTFE ____________________________________________________ 141 Anexo D. Desenhos Técnicos _______________________________________________________ 145 Anexo E. Modelos de estruturas celulares ______________________________________________ 171 Anexo F. Ficha técnica de uma resina de poliuretano ______________________________________ 179 Anexo G. Avaliação geométrica do cilindro ______________________________________________ 183

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Índice de Figuras

Figura 2.1. Categorização geral do membro inferior ________________________________________________ 9 Figura 2.2 - Esqueleto axial e esqueleto apendicular. ______________________________________________ 11 Figura 2.3. Caraterização do sistema esquelético do membro inferior (com pormenor no tornozelo) _____________ 12 Figura 2.4 - Caraterização dos ossos da perna. __________________________________________________ 12 Figura 2.5 - Identificação e localização relativa dos ossos do tarso. ____________________________________ 13 Figura 2.6 - Ilustração e localização da articulação tibiotársica e dos seus constituintes. _____________________ 15 Figura 2.7 – Caraterização da articulação tibiotársica e dos seus ligamentos pela face lateral. _________________ 16 Figura 2.8 - Músculos da perna que atuam sobre a perna, o tornozelo e o pé. ____________________________ 19 Figura 2.9 - Planos principais de movimento no corpo humano _______________________________________ 21 Figura 2.10 - Movimento relativo dos segmentos (ossos) durante a caminhada. ___________________________ 23 Figura 2.11 - Ilustração dos movimentos de rotação num plano paralelo ao plano transverso representado. _______ 24 Figura 2.12 - Movimento de rotação medial e lateral no tornozelo. _____________________________________ 25 Figura 2.13 - Ilustração dos movimentos de flexão e extensão num plano paralelo ao plano sagital representado. ___ 26 Figura 2.14 - Movimento de rotação extensão e flexão do tornozelo. ____________________________________ 27 Figura 2.15 - Ilustração dos movimentos de eversão e inversão num plano paralelo ao plano frontal representado. __ 28 Figura 2.16 – Movimento de eversão e inversão no tornozelo. ________________________________________ 29 Figura 2.17 - Ilustração dos movimentos de abdução e adução num plano paralelo ao plano transverso representado. 29 Figura 2.18 - Ilustração dos movimentos de supinação e pronação nos três planos. ________________________ 30 Figura 2.19 - Movimentos de translação no tornozelo. _____________________________________________ 31 Figura 3.1 - Representação esquemática do mecanismo de lesão no tornozelo. ___________________________ 35 Figura 3.2 - Entorse lateral pelo movimento de inversão. ____________________________________________ 37 Figura 3.3 - Ligamentos sujeitos a rutura durante a entorse lateral. ____________________________________ 38 Figura 3.4 - Entorse medial pelo movimento de eversão. ____________________________________________ 41 Figura 3.5 - Ligamentos sujeitos a rutura durante a entorse lateral. ____________________________________ 41 Figura 3.6 – Entorse alta do tornozelo pelo movimento de rotação lateral. _______________________________ 42

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Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Figura 3.7 – Ligamento que limita o movimento de rotação lateral. ____________________________________ 42 Figura 3.8 - Teste da gaveta anterior. _________________________________________________________ 44 Figura 3.9 - Teste de esforço em varo. _________________________________________________________ 45 Figura 3.10 - Exemplo de um goniómetro universal utilizado para medir a amplitude articular entre dois segmentos. _ 50 Figura 3.11 - Aplicação do Telos Stress Device (a) e respetiva imagem obtida através de uma radiografia (b). ______ 51 Figura 3.12 – Modelo do Porto Knee Testing Device. ______________________________________________ 51 Figura 4.1 - Árvore de objetivos com as principais exigências do projeto do dispositivo médico. ________________ 57 Figura 4.2 – Peça de encaixe do mecanismo de rotação do pé do Porto Knee Testing Device. _________________ 65 Figura 4.3 - Peça de encaixe no PKTD, antes e após a realização das alterações. __________________________ 66 Figura 4.4 – Esboços das soluções possíveis para o suporte do pé. ____________________________________ 67 Figura 4.5 - Soluções para o suporte do pé modeladas tridimensionalmente. _____________________________ 67 Figura 4.6 - Movimentos que devem ser realizados pelo dispositivo. ____________________________________ 70 Figura 4.7 - Esboços das soluções possíveis para o movimento de translação anterior. ______________________ 71 Figura 4.8 - Solução adotada para o movimento de translação anterior. _________________________________ 72 Figura 4.9 - Solução adotada para o movimento de translação posterior. ________________________________ 72 Figura 4.10 - Esboços das possíveis soluções considerando que o dispositivo poderá realizar os três movimentos de rotação. ______________________________________________________________________________ 74 Figura 4.11 – Solução que permite a combinação do movimento de rotação lateral e medial, do movimento de eversão e inversão e do movimento de extensão e flexão (a) com e (b) sem a peça de encaixe no PKTD._________________ 75 Figura 4.12 - Localização errada do eixo transversal em torno do qual se realizam os movimentos de flexão e extensão. ____________________________________________________________________________________ 76 Figura 4.13 - Possibilidade de solução para a combinação dos três movimentos de rotação com todos os eixos localizados corretamente. __________________________________________________________________________ 76 Figura 4.14 - Esboços das possíveis soluções considerando que o dispositivo poderá realizar movimentos de rotação em torno dos eixos longitudinal e transversal. ______________________________________________________ 77 Figura 4.15 - Solução adotada para a localização das superfícies de deslizamento dos movimentos de rotação lateral e medial e de eversão e inversão. _____________________________________________________________ 78 Figura 4.16 - Esboços das possíveis soluções para o posicionamento dos mecanismos responsáveis pela execução dos movimentos. ___________________________________________________________________________ 78

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Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Figura 4.17 - Possível solução para o mecanismo responsável pelos movimentos nos eixos longitudinal e sagital com a caixa protetora (a) e sem a caixa protetora (b). ___________________________________________________ 79 Figura 4.18 – Principais soluções para os mecanismos responsáveis pelos movimentos de rotação e de eversão e inversão com recurso a uma alavanca (a) ou de forma independente (b). ______________________________________ 79 Figura 4.19 - Compressor utilizado no sistema pneumático. _________________________________________ 81 Figura 4.20 - Princípio de funcionamento do compressor utilizado. ____________________________________ 81 Figura 4.21 - Manómetro que se encontra acoplado ao compressor utilizado. _____________________________ 82 Figura 4.22 - Perspetiva em corte do conjunto pneumático utilizado. ___________________________________ 83 Figura 4.23 – Distância entre as extremidades da peça de fixação do cilindro pneumático responsável pelo movimento de rotação sem parafuso e porca. ____________________________________________________________ 86 Figura 4.24 - Cargas a que se encontra sujeito o cilindro que promove os movimentos de translação. ___________ 86 Figura 4.25 - Área resistente à tensão de corte na base da rosca [105]. _________________________________ 88 Figura 4.26 - Modelo para a obtenção dos perfis dos dentes por envolvente numa engrenagem cremalheira. ______ 88 Figura 4.27 - Solução adotada para o Porto Ankle Testing Device. _____________________________________ 90 Figura 4.28 - Porto Ankle Testing Device acoplado ao Porto Knee Testing Device. __________________________ 91 Figura 4.29 - Descrição da ligação estabelecida entre a peça principal e os restantes componentes. ____________ 91 Figura 4.30 - Descrição da ligação estabelecida entre a base do suporte do pé e os restantes componentes. ______ 92 Figura 4.31 - Pormenor da peça de contacto com o calcanhar no Teste da Gaveta Anterior. __________________ 93 Figura 4.32 – Pormenor da peça utilizada para o posicionamento em altura do suporte do pé. ________________ 94 Figura 4.33 - Princípio de funcionamento do mecanismo que realiza os movimentos de rotação lateral (a) e medial (b). ____________________________________________________________________________________ 95 Figura 4.34 - Movimentos de rotação lateral e medial e respetivas amplitudes de movimento. _________________ 95 Figura 4.35 - Movimentos de eversão e inversão e respetivas amplitudes de movimento. _____________________ 96 Figura 5.1 - Posição neutra (a) e posição avançada (b) nos movimentos de translação anterior no dispositivo. _____ 99 Figura 5.2 - Posição neutra (a) e posição avançada (b) nos movimentos de translação posterior no dispositivo. ____ 100 Figura 5.3 - Posição de rotação medial (a), posição neutra (b) e posição de rotação lateral (c) no dispositivo. _____ 100 Figura 5.4 - Posição de inversão (a), posição neutra (b) e posição de eversão (c) no dispositivo. _______________ 101 Figura 5.5 - Relação entre conceitos que afetam o custo final do dispositivo. ____________________________ 101

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Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Índice de Tabelas

Tabela 2.1 - Músculos da perna que estão envolvidos nos movimentos de flexão e extensão [14]. ______________ 26 Tabela 2.2 - Músculos da perna que estão envolvidos nos movimentos de eversão e inversão [14]. _____________ 28 Tabela 3.1 - Análise comparativa entre os dispositivos existentes atualmente. _____________________________ 52 Tabela 4.1 - Listagem dos requisitos do projeto __________________________________________________ 58 Tabela 4.2 - Listagem das especificações de desempenho para o projeto. _______________________________ 63 Tabela 4.3 - Medidas antropométricas do comprimento e largura do pé. ________________________________ 68 Tabela 4.4 - Caraterísticas geométricas do cilindro pneumático utilizado no PKTD. _________________________ 83 Tabela 4.5 - Resultados obtidos para o processo de validação dos cilindros pneumáticos. ____________________ 83 Tabela 4.6 - Propriedades físicas que influenciam o estudo da imobilização do cilindro pneumático._____________ 87 Tabela 4.7 - Caraterísticas dos mecanismos que realizam os movimentos de rotação e de eversão ou inversão. ____ 89 Tabela 5.1 - Comparação entre as principais técnicas de impressão tridimensional [110]. ___________________ 106 Tabela 5.2 - Síntese dos problemas apresentados pela análise do PKTD. _______________________________ 107 Tabela 5.3 - Custos associados ao consumo de matéria-prima utilizando dois equipamentos de impressão tridimensional. ___________________________________________________________________________________ 110

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Capítulo 1. Introdução

CAPÍTULO 1.

INTRODUÇÃO

O projeto mecânico surge, na maioria das vezes, pela necessidade de solucionar os problemas do dia-a-dia que se podem inserir em áreas absolutamente distintas, como a medicina e a engenharia. A introdução do trabalho apresenta uma abordagem global dos objetivos e da metodologia utilizada para solucionar um problema relacionado com o processo de diagnóstico de lesões ligamentares na articulação do tornozelo. Será também feita referência à estrutura do presente documento de modo a contextualizar o leitor nas temáticas que serão apresentadas.

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Capítulo 1. Introdução

A reunião de conhecimentos de áreas absolutamente distintas foi conseguida de uma forma de tal modo harmoniosa, que tem proporcionado inúmeros projetos de inovação a nível global, capazes de fornecer à sociedade conforto, conhecimento e longevidade, indispensáveis para a conservação dessa filosofia como um estilo de vida.

Com o desenvolvimento técnico e tecnológico disponível atualmente, o progresso tende cada vez mais para um domínio em que os dispositivos e equipamentos são projetados para evitar que o Homem desempenhe funções que possam pôr em causa a sua segurança, ou até mesmo para desempenhar funções com caraterísticas de precisão, velocidade ou reprodutibilidade que não são possíveis à destreza humana.

Na sua generalidade os trabalhos de projeto ou de investigação e desenvolvimento pode ser proposta com um dos principais objetivos: criar um produto novo no mercado capaz de desempenhar uma nova função; desenvolver um método para resolver um dado problema ou ainda otimizar um produto que se tornou obsoleto. Deste conjunto, o presente trabalho apresentado pode ser integrado na primeira categoria.

Embora nas últimas décadas tenha existido um progresso extremamente notório quer no diagnóstico, como no tratamento de diversas patologias, a saúde continua a ser atualmente um dos domínios com maiores investimento. Nesse sentido, têm sido desenvolvidas diversas ferramentas com o intuito de diagnosticar e tratar as doenças que têm oferecido maior resistência ao ser humano. Para além das doenças mais raras em que, de forma geral, o diagnóstico é tardio e o tratamento é ineficaz, existem diversas doenças crónicas que afetam a qualidade de vida do paciente, incapacitando-o de satisfazer as suas necessidades básicas de forma livre e autónoma.

A articulação do tornozelo, bem como os seus constituintes, representam um dos principais conjuntos responsáveis pela exequibilidade das funções do membro inferior. Os seus requisitos funcionais encontram-se por vezes associados a uma solicitação excessiva, existindo diversas fontes que indicam que entre as diversas patologias que podem ser registadas no sistema musculosquelético, a entorse na articulação do tornozelo é uma das principais lesões articulares. Contudo, o sucesso do diagnóstico de uma lesão pode ditar de um modo fulcral o seu desenvolvimento e consequentemente a qualidade de vida do paciente.

De acordo com essa ideologia, surgiu do Professor Doutor João Espregueira-Mendes e da sua equipa da Clínica Espregueira Mendes ao Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade do Minho a proposta

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Capítulo 1. Introdução

para o desenvolvimento de um novo mecanismo capaz de simular alguns dos movimentos da articulação do tornozelo aquando da realização de um exame imagiológico.

O desenvolvimento de um dispositivo capaz de desempenhar tais funções apresenta como principais vantagens a possibilidade de realizar um diagnóstico recorrendo a informações que provêm simultaneamente de dois testes distintos, a capacidade de garantir a reprodutibilidade e repetibilidade das condições de exame entre os diferentes pacientes e ainda a inexistência da necessidade de expor os técnicos às radiações emitidas cada vez que é necessário posicionar o pé com um dado movimento específico.

Assim, para o desenvolvimento do novo dispositivo torna-se absolutamente necessário compilar os principais conceitos das áreas intervenientes de modo que o produto final cumpra os requisitos estabelecidos na fase inicial do projeto. A transmissão da experiência da equipa de trabalho da Clínica Espregueira-Mendes tanto na realização de exames físicos como em exames imagiológicos (a ressonância magnética e a tomografia axial computorizada) foi um elemento essencial quer na integração como durante o projeto concetual da solução final.

Neste, ou no decorrer de qualquer projeto técnico de um dispositivo, independentemente da função que ele desempenha, todas as variáveis devem ser controladas de forma que o produto final respeite as condições ambientais e ergonómicas que lhe possam ser associadas e represente o menor custo para a entidade que o comercializa.

Para a realização do presente trabalho, tal como na maior parte dos trabalhos de projeto mecânico, a fase de definição dos objetivos e dos requisitos que devem estar presentes no produto final apenas será conseguida com a reunião do conhecimento das diferentes áreas envolvidas. Para isso foram realizadas diversas reuniões com os profissionais de saúde, que permitiram o estabelecimento das condições indispensáveis na fase inicial e também a avaliação das diversas soluções que foram criadas ao longo do projeto concetual.

A solução final foi validada através do modelo tridimensional, para o qual foi avaliada a sua capacidade de funcionamento com recurso a um software de simulação virtual. Como na fase seguinte será construído um protótipo físico, foi realizada uma análise de custos com o objetivo de avaliar a melhor tecnologia de fabrico para a produção do dispositivo.

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Capítulo 1. Introdução O presente documento encontra-se estruturado em seis capítulos, dos quais no capítulo dois é apresentada uma caraterização anatómica1 da articulação do tornozelo, com a descrição dos seus principais constituintes e ainda de alguns elementos com os quais estabelecem ligação. No final desse capítulo encontram-se expostos os principais movimentos que afetam essa articulação, com a definição dos planos e dos eixos ortogonais envolvidos.

No capítulo três estão agrupadas as lesões com maior incidência na articulação em estudo e são ainda enumerados os principais testes realizados durante um exame clínico, bem como os exames imagiológicos mais utilizados. Com este capítulo é possível perceber as principais dificuldades encontradas atualmente que geram a necessidade de elaboração deste projeto. Por fim, são apresentados os equipamentos já existentes no mercado com funcionalidade semelhante à do dispositivo de apoio ao diagnóstico de patologias no tornozelo.

No capítulo quatro está definida a metodologia adotada, com a identificação dos objetivos, requisitos e especificações de desempenho do produto final. De seguida, são descritas as etapas de desenvolvimento do projeto onde se encontram os estudos analíticos que validam a utilização dos componentes e no final é realizada uma descrição pormenorizada da solução adotada.

No capítulo cinco apresenta-se o processo utilizado para a validação da solução, bem como um estudo relativo à otimização do dispositivo de acordo com as caraterísticas impostas pela seleção do material e do processo de fabrico dos componentes.

E por último, no capítulo seis, são apresentadas as principais conclusões do trabalho e as propostas de trabalhos futuros.

1Tendo em conta que para uma correta caraterização deverá ser utilizada a terminologia científica adequada no Anexo A do presente

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Capítulo 2. Caraterização da articulação do tornozelo

CAPÍTULO 2.

CARATERIZAÇÃO DA ARTICULAÇÃO DO TORNOZELO

Com este capítulo pretende-se compreender o acionamento e a interação entre as partes constituintes do membro inferior, permitindo a caraterização estrutural e funcional do tornozelo. A abordagem desta temática no presente documento tem como objetivo integrar e contextualizar o leitor no âmbito de aplicação do dispositivo de auxílio ao diagnóstico.

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Capítulo 2. Caraterização da articulação do tornozelo 2.1. Localização e função

De acordo com uma abordagem bastante simplista o corpo humano pode ser dividido em quatro regiões principais facilmente identificáveis: a cabeça, o pescoço, o tronco e os membros (superiores e inferiores), no entanto o seu estudo pode tornar-se bastante complexo com o aumento do detalhe e da especificidade da análise dos sistemas e dos elementos que o constituem.

De acordo com a generalidade da bibliografia deste âmbito, o corpo humano é composto por nove2 sistemas distintos, porém, para o trabalho em questão, apenas será feita a referência ao sistema esquelético, articular e muscular. Estes são os intervenientes que podem estar associados de forma mais direta à análise das caraterísticas funcionais da articulação do tornozelo.

A articulação do tornozelo, bem como os seus constituintes, representa um dos principais conjuntos responsáveis pela exequibilidade das funções do membro inferior como o suporte do peso do corpo (com o mínimo gasto de energia por parte dos músculos) e a locomoção, ou seja, a movimentação do corpo do espaço. Tal como se encontra representado na Figura 2.1, o membro inferior podem ser compartimentado em cinco zonas facilmente distinguíveis pela linguagem corrente: a anca, a coxa, o joelho, a perna, o tornozelo e o pé, das quais o joelho e o tornozelo representam estruturas articulares e os restantes representam segmentos que articulam entre si.

Figura 2.1. Categorização geral do membro inferior

(Adaptado de: http://fisioterapeutico.blogspot.pt/2013/07/dor-ciatica.html)

Para o deslocamento do corpo é necessário que haja uma integração simultânea dos movimentos de todas as articulações para posicionar o pé sobre o chão e mover o corpo sobre o pé.

2Os nove sistemas que constituem o corpo humano são: o tegumentar (revestimento do corpo); o esquelético, muscular e articular; o

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Capítulo 2. Caraterização da articulação do tornozelo

O membro inferior corresponde apenas a 10% do peso corporal [1] e é habitualmente caraterizado pela estabilidade e pela robustez da sua construção, caraterísticas indispensáveis na receção e transmissão de cargas durante o deslocamento corporal.

Para perceber de uma forma mais clara qual é a contribuição da estrutura do tornozelo nas referidas atividades é necessário estudar também os elementos que se encontram na sua periferia e que direta ou indiretamente interferem nas suas funções.

2.2. Anatomia e fisiologia

A anatomia é a ciência que estuda a estrutura macroscópica do indivíduo, mais concretamente dos seus diferentes órgãos e sistemas, bem como a correlação entre eles [1]. Se se associar esse conhecimento à informação sobre a constituição e funcionalidade de cada elemento do corpo humano (a fisiologia) torna-se possível compreender como e porquê, uma determinada ação numa zona do corpo pode desencadear um conjunto de reações nas restantes que aparentemente lhe seriam alheias. [2]

A estrutura do corpo humano encontra-se organizada em seis níveis3 distintos, todos eles relevantes para o estudo anatómico e fisiológico do mesmo [3, 4]. Embora um número significativo de sistemas do corpo humano desempenhem funções que afetam, direta ou indiretamente, a capacidade de movimentação do membro inferior apenas será feita referência à constituição e às interações com o sistema musculosquelético4, visto que este é o sistema com significativamente maior representação física e funcional na estrutura do tornozelo.

2.2.1. Sistema esquelético

O sistema esquelético é composto por todos os ossos do corpo humano que, de forma individual, podem ser classificados como órgãos pois possuem vários tecidos, como por exemplo os tecidos nervosos, as cartilagens, os tecidos conetivos densos, entre outros.

O tecido ósseo e o sistema esquelético são responsáveis por várias funções básicas: a sustentação (a estrutura do esqueleto proporciona pontos de fixação para a maioria dos músculos esqueléticos); a proteção

3 Enumerando do particular ao geral, os seis níveis de organização do corpo humano são: o nível químico (estudo dos átomos e das

moléculas); o nível celular; o nível tecidual (estudo dos tecidos); o nível dos órgãos; o nível dos sistemas e por fim, o nível dos organismos que é também o nível do ser humano [3].

4Terminologia utilizada frequentemente quando se pretende referir o conjunto dos sistemas esquelético, articular e muscular, dos quais

a osteologia e a artrologia pertencem à categoria da anatomia humana passiva e a miologia pertence à categoria da anatomia humana ativa.

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Capítulo 2. Caraterização da articulação do tornozelo dos órgãos internos (evita que se lesionem); a homeostasia mineral (armazena e liberta minerais de forma a regular as necessidades corporais); a produção de células do sangue (através da medula óssea vermelha) e por último, o armazenamento triglicerídeos (que são uma reserva de energia química potencial, através da medula óssea amarela) [5].

Embora os ossos sejam elementos passivos do movimento, pela ação dos músculos desempenham o papel de alavancas ativas e úteis para toda a movimentação voluntária do corpo. [1]. Segundo a bibliografia da área, o esqueleto humano adulto consiste em 206 ossos agrupados em dois conjuntos (Figura 2.2): 80 ossos no esqueleto axial e 126 ossos no esqueleto apendicular.

Figura 2.2 - Esqueleto axial e esqueleto apendicular.

(Adaptado de: http://skeletalsystemdev.weebly.com/)

O esqueleto apendicular é composto pelos ossos dos membros superiores e inferiores e ainda por grupos denominados de cinturas, que estabelecem a ligação entre os membros e o restante esqueleto (o esqueleto axial). É no esqueleto apendicular que se localiza o objeto de estudo do presente capítulo, mais concretamente na perna. Tal como indica a Figura 2.3., a tíbia (que é osso dominante) e o perónio encontram-se encontram-separados, média e lateralmente, por um espaço interósencontram-seo, encontram-sem que haja movimento de um em torno do outro.

Por sua vez, o pé divide-se em três grupos, o tarso com sete ossos tarsais (ossos do tornozelo), o metatarso com cinco ossos metatarsais e por último os dedos, com catorze falanges (que compõe os dedos do pé). Destes, os dois últimos grupos não serão estudados com igual pormenor, pois apenas interferem de forma indireta no elemento de estudo do presente trabalho, o tornozelo.

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Capítulo 2. Caraterização da articulação do tornozelo

Figura 2.3. Caraterização do sistema esquelético do membro inferior (com pormenor no tornozelo)

(Adaptado de: http://www.healthpages.org/anatomy-function/musculoskeletal-system-bones-joints-cartilage-ligaments/ e http://www.kidport.com/reflib/science/humanbody/skeletalsystem/Ankle.htm)

A tíbia é um osso longo, o maior osso da perna, e é composto por um corpo e duas extremidades (osso par): na extremidade proximal possui as cavidades glenoidais5 interna e externa, e na extremidade distal possui o maléolo tibial que estabelece contacto com o astrágalo, como está indicado na Figura 2.4. Este osso, por ser o maior osso da perna, é também o que suporta o peso6 do corpo.

O perónio é composto de igual modo por um corpo e duas extremidades. Na sua extremidade superior encontra-se a cabeça do perónio e na extremidade inferior o maléolo peroneal cuja superfície articula com o astrágalo e a sua face medial possui uma superfície articular com a tíbia.

Figura 2.4 - Caraterização dos ossos da perna.

(Adaptado de: http://www.highlands.edu/academics/divisions/scipe/biology/faculty/harnden/2121/images/tibfib.jpg)

5Uma cavidade glenoidal é toda a cavidade que permite a articulação de um osso noutro. Cada cavidade da tíbia articula com um côndilo

(saliência arredondada) da extremidade distal do fémur.

6Esse peso, que é posteriormente transmitido ao astrágalo, distribui-se de igual forma entre o calcâneo e os ossos constituintes do arco

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Capítulo 2. Caraterização da articulação do tornozelo No pé, mais precisamente entre os ossos do tarso, encontram-se o astrágalo que tem a forma de um cubo (é o único osso do pé que se articula com a tíbia e com o perónio) e o calcâneo que suporta o astrágalo e por ser o que se localiza num nível inferior é o que recebe o choque do calcanhar quando este embate contra o solo, como se pode perceber no representação da Figura 2.5. Os restantes cinco ossos társicos (o cuboide, o escafoide e os cuneiformes) têm como principal função aumentar a flexibilidade do pé.

Figura 2.5 - Identificação e localização relativa dos ossos do tarso.

(Adaptada de: http://teachmeanatomy.info/lower-limb/bones/bones-of-the-foot-tarsals-metatarsals-and-phalanges/)

Na sua generalidade os ossos podem ser agrupados em cinco categorias de acordo com a sua forma: longo, curto, plano, irregular e sesamoide, em que as superfícies dos ossos de cada categoria possuem caraterísticas específicas que lhes permitem adaptarem-se a determinadas funções. Contudo, quando se trata de um osso que não pode ser incluído em nenhuma das classes acima apresentadas, este é então classificado com base na sua localização estrutural [6].

No tornozelo, os ossos da perna são ossos longos, com extremidades grandes e arredondadas (geometria mais indicada para suportar muito peso) e os ossos do pé pertencem à categoria dos ossos curtos, concedendo uma maior flexibilidade à estrutura [5].

2.2.2. Sistema articular

As articulações são pontos ou superfícies de contato entre dois ou mais elementos, seja entre ossos, cartilagens ou entre um osso e uma cartilagem, estabelecendo a ligação entre eles com recurso a elementos

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Capítulo 2. Caraterização da articulação do tornozelo

indispensáveis, os ligamentos. Uma grande parte das articulações permitem flexibilidade e movimento, sendo também responsáveis pela transferência e dissipação das forças produzidas pela ação das forças gravíticas e pela ativação muscular [7].

Os ligamentos são elementos muito importantes na estrutura corporal, sendo constituídos essencialmente por uniões de tecido conjuntivo7 que estabelecem a ligação entre dois ossos, ajudando a estabilizar movimentos ósseos relativos. De um modo geral estes elementos são pouco elásticos, o que significa que quando excessivamente solicitados podem ser facilmente danificados.

A denominação de um ligamento indica o nome dos ossos entre os quais está a ser estabelecida a união. Quando existe mais do que um ligamento a interligar o mesmo par de ossos, no final da designação do ligamento é indicada a sua localização, ou seja, se é referido um ligamento posterior, significa que existe o anterior.

As articulações podem ser classificadas do ponto de vista estrutural (pelas caraterísticas anatómicas) ou do ponto de vista funcional (com base no tipo de movimentos que permitem) [8]. O movimento das articulações é determinado pela forma como os ossos articulam, pelas caraterísticas dos tecidos conjuntivos que mantém ossos unidos e pela posição dos ligamentos, dos músculos e dos tendões [1].

A estrutura de uma articulação determina a relação entre força e flexibilidade que ela pode apresentar. Deste modo, em condições extremas, existem articulações muito resistentes embora rígidas, e vice-versa. Em geral, quanto menor for a folga existente do encaixe entre o ponto de contato dos respetivos constituintes, mais resistente é a articulação, mas também mais restritos são os seus movimentos.

As articulações podem distinguir-se, quanto ao nível estrutural, pela presença ou ausência de uma cavidade articular8 ou pelo tipo de tecido conjuntivo que garante a união dos ossos, sendo agrupadas em articulações fibrosas (não existe cavidade articular e um tecido conjuntivo fibroso realiza a união entre os ossos), cartilagíneas (sem cavidade articular e com união óssea através de uma cartilagem9) ou sinoviais (os ossos são ligados por uma cavidade articular preenchida por líquido sinovial e ligamentos acessórios).

7Um tecido conjuntivo é um grupo de tecidos orgânicos responsáveis pela união, nutrição, proteção e sustentação de outros tecidos. 8Espaço que se encontra entre os ossos constituintes de uma articulação.

9É um tecido muscular que reveste a superfície do osso evitando o contacto entre as superfícies ósseas, caraterizando-se pela sua matriz

extracelular (fibras proteicas, substância fundamental e líquido). Permite o amortecimento de cargas e facilita o deslizamento entre superfícies [14].

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Capítulo 2. Caraterização da articulação do tornozelo Na sua caracterização funcional, as articulações definem-se como sinartoses (articulações imóveis reforçadas por uma combinação de tecidos conjuntivos fibrosos e cartilaginosos); anfiartroses (com pouca mobilidade) e diartroses (articulações móveis, todas elas sinoviais) [5,7-9].

Entre a perna e o pé, os movimentos são possibilitados pela existência da articulação tibiotársica (Figura 2.6), vulgarmente conhecida como a articulação do tornozelo ou ainda articulação tíbio-perónio-calcaneana que é composta pela tíbia, pelo perónio e pelo astrágalo e pode ser classificada como articulação sinovial trocleartrose.

Figura 2.6 - Ilustração e localização da articulação tibiotársica e dos seus constituintes.

(Adaptada de: http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/Ankle-joint e http://www.twenga.com.br/esqueleto-de-anatomia.html)

Uma articulação sinovial é uma articulação contígua, móvel entre duas ou mais estruturas, tipicamente presente na constituição dos membros. Embora todas as articulações sinoviais tenham uma estrutura semelhante, as formas das superfícies articulares variam, permitindo diferentes tipos de movimentos que podem ser categorizados em classes diferentes [5]. Uma articulação sinovial trocleartrose é uma articulação mono axial, restringindo o seu movimento à rotação em torno de um único eixo, o que indicia a sua semelhança com um elemento mecânico bastante conhecido, uma dobradiça [10].

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Capítulo 2. Caraterização da articulação do tornozelo

Sendo uma articulação caraterizada pela união entre dois ou mais ossos, as superfícies de contato dos mesmos possuem certas caraterísticas que garantem a resistência e longevidade da estrutura articular ainda que sujeita a cargas cíclicas.

Do lado do pé encontra-se a tróclea astragaliana, na face superior do astrágalo e do lado da perna encontra-se um conjunto formado pelas extremidades da tíbia e do perónio unidas pelos ligamentos anterior, posterior e interósseo da articulação tíbio-peroneal inferior [11], como indica a Figura 2.7.

Figura 2.7 – Caraterização da articulação tibiotársica e dos seus ligamentos pela face lateral. (Adaptada de: http://www.studyblue.com/notes/note/n/ankle--foot/deck/4314882)

O meio de união óssea da superfície articular é composto pela cápsula articular10 (contorno da tíbia e do perónio na zona superior e do astrágalo na zona inferior) e pelos ligamentos laterais externo e interno. O ligamento externo é composto por três feixes independentes: o astragaliano anterior (PAA), o perónio-astragaliano posterior (PAP) e o médio ou perónio-calcaneano (PC). O ligamento interno é composto por duas camadas: uma camada superficial que constitui o ligamento deltoide (chamado assim por se comparar a um delta) e uma camada profunda que interliga a tíbia e o astrágalo [11].

Para além da articulação do tornozelo, existem ainda outras articulações [11] na sua periferia que proporcionam ao tornozelo uma grande parte das suas caraterísticas funcionais que de outra forma não seriam exequíveis, pois como já foi referido ela apenas permite movimentos em um só plano. No presente documento

10A cápsula articular é composta por duas camadas histologicamente diferentes: a camada externa que é fibrosa, composta por um

tecido conjuntivo denso que apoia os ossos e o conteúdo da articulação e a camada interna que consiste numa membrana sinovial, que reveste todas as faces intracelulares e é responsável pela produção do fluido sinovial [4].

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Capítulo 2. Caraterização da articulação do tornozelo será feita apenas uma breve referência à existência e caraterísticas dessas articulações, evitando que o conteúdo apresentado divirja do âmbito de aplicação do projeto.

Na zona superior da articulação tibiotársica (entre os elementos da perna), existe uma articulação entre o perónio e a tíbia, denominada por articulação tíbio-peroneal inferior ou tíbio-peroneal distal, que não possui cápsula articular e por isso utiliza como meio de união óssea três ligamentos: interósseo, anterior e posterior. Ainda na zona superior existe uma membrana interóssea que estabelece a ligação medial entre o perónio e a tíbia, denominada por sindesmose, que é um tipo de articulação fibrosa em que os ossos se encontram fisicamente afastados e a união é garantida por ligamentos. Neste tipo de articulações é registado apenas um ligeiro movimento devido à flexibilidade permitida pelos constituintes ligamentares.

Nas zonas inferior e anterior ao tornozelo existem várias articulações entre os ossos do pé, no entanto, apenas as mais próximas afetam a capacidade funcional do tornozelo, ou seja, as que envolvem os ossos do tarso. Entre o astrágalo e o calcâneo existe a articulação sub-astragaliana composta por duas articulações protársicas: a astrágalo-calcaneana anterior e a astrágalo-calcaneana posterior, cujos meios de ligação envolvem os ligamentos interósseo, interno, externo, anterior e posterior.

Das articulações mais próximas devem ser assinaladas do grupo metatarso a articulação astrágalo-calcâneo-escafoideia que apresenta várias superfícies articulares e possui os seus próprios ligamentos (como os ligamentos astrágalo-escafoideu superior e o calcâneo-escafoideu) e a articulação calcâneo-cuboideia cujos ligamentos são o calcâneo-cuboideu superior e o calcâneo-cuboideu inferior, este último também conhecido como grande ligamento da planta do pé. Estas duas articulações têm ainda a particularidade de terem um outro ligamento em comum, o ligamento de Chopart, que se insere na face superior do calcâneo e sofre bifurcação em dois feixes, um para o escafoide e outro para o cuboide.

A análise das articulações representa uma tarefa fundamental, pois permite entender onde se localizam os principais elementos anatómicos e quais deles são capazes de desenvolverem movimentos relativos (de acordo com os graus de liberdade que possuem) ou quais se encontram dinamicamente limitados por elementos de estabilização passiva, os ligamentos.

2.2.3. Sistema muscular

O principal do esqueleto do corpo humano encontra-se coberto por músculos, que em geral são responsáveis por 50% do peso do corpo. É o sistema muscular e os tecidos musculares que dão a forma ao corpo e que executam funções como a realização de movimentos, a produção de calor de forma a regularizar a temperatura corporal ou a estabilização estática e dinâmica do posicionamento do corpo humano [3].

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Capítulo 2. Caraterização da articulação do tornozelo

Para desempenhar tarefas básicas do dia-a-dia, como por exemplo caminhar, é necessário que ocorra uma interação entre o sistema nervoso, os músculos e os ossos que constituem o corpo humano. Para compreender essa interação é necessário esclarecer que os músculos interagem com os ossos individualmente, e que as articulações são acionadas pelos músculos em contração, no momento em que recebem o estímulo11 do sistema nervoso [8]. A partir dessa associação pode definir-se o sistema musculosquelético, que é um sistema integrado composto pelo conjunto de todos os músculos (e respetivos tendões12), ossos (e cartilagens) e articulações e que constitui o principal objeto de estudo de um dos ramos da ciência médica, a ortopedia.

Os tendões são cordões de tecido conjuntivo fibroso que unem os músculos aos respetivos ossos de inserção. Estes permitem que os ossos se movam quando os músculos do esqueleto se contraem [8]. Assim, a sequência funcional é iniciada pelos músculos esqueléticos13 que produzem os movimentos acionando os tendões que por sua vez puxam os ossos. Todavia, uma grande parte dos movimentos ocorre não pelo acionamento individual de um músculo mas de um conjunto de músculos, muitas vezes dispostos em pares opostos (capacidade de realização de movimentos contrários) nas articulações, como por exemplo os flexores-extensores [5].

Existe na literatura uma classificação que permite definir o tipo de músculo de acordo com a sua estrutura/forma e o seu comportamento. Nos membros apenas existem músculos estriados esqueléticos que são caraterizados por terem acionamento voluntário e possuírem pelo menos uma extremidade muscular presa a um osso. Habitualmente é feita a caracterização desse tipo de músculos de acordo com as respetivas ações14 musculares [1, 7]:

 Os músculos agonistas são os que se encontram diretamente relacionados com o início e execução de um dado movimento;

 Os músculos antagonistas são os que têm uma ação oposta aos músculos agonistas, ou seja, quando um agonista se contrai o antagonista relaxa progressivamente, produzindo um movimento suave, mantendo o equilíbrio muscular e a harmonia do movimento;

11O sistema nervoso controla os movimentos da cabeça, pescoço, tronco e membros através de impulsos gerados no motor central do

cérebro. Tais impulsos iniciam-se pela intenção conscienciosa para se mover ou em resposta a um impulso sensorial dependendo dos recetores sensoriais na pele, nos músculos e nos tecidos conetivos [13]. O estímulo é enviada por um sinal elétrico (potencial de ação

muscular) libertado pelo respetivo neurónio, chamado neurónio motor. Um único neurónio motor, juntamente com todas as fibras

musculares que ele estimula, é denominado por unidade motora. A estimulação de um neurónio faz com que todas as fibras dessa unidade contraiam simultaneamente e quanto maior for a precisão do movimento mais fibras possui essa unidade [14].

12Os tendões são os componentes dos músculos que os ligam aos ossos. Cada músculo possui dois tendões, um do lado proximal e

outro do lado distal [104].

13 Incluem o tecido muscular esquelético, tecido vascular (vasos sanguíneos e sangue), tecido nervoso (neurónios motores) e vários

tipos de tecidos conjuntivos. [5]

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Capítulo 2. Caraterização da articulação do tornozelo  Os músculos sinergistas são os que apenas cooperam durante a execução de um dado movimento

auxiliando um dos anteriores a funcionar mais eficazmente;

 Os músculos fixadores mantêm estáveis as partes proximais de um membro enquanto os movimentos ocorrem nas partes distais.

A designação dos músculos é complementada por termos que referem algumas das suas caraterísticas quer funcionais, quer estruturais, como é o caso dos termos: flexor (que indica uma ação desempenhada pelo músculo), longo (com referência ao seu tamanho) ou anterior (designando a sua direção de acordo com os planos sagitais).

Ao analisar os músculos existentes no membro inferior constata-se que na face anterior medial da perna, onde se encontra a tíbia, não existe nenhum músculo e o osso é coberto diretamente pelo tegumento. A restante musculatura da perna pode ser dividida em três grupos musculares: o anterior, o lateral e o posterior, na Figura 2.8 encontram-se representados os músculos que atuam sobre a perna, o tornozelo e o pé, de acordo com as três vistas referidas. Não será feita referência aos músculos que movem os dedos dos pés e que não têm qualquer contribuição no desempenho funcional do tornozelo.

Figura 2.8 - Músculos da perna que atuam sobre a perna, o tornozelo e o pé. (Adaptada de: http://www.proprofs.com/flashcards/story.php?title=muscle-flashcards_3 e de

http://people.fmarion.edu/tbarbeau/205supplements_muscular.htm)

No compartimento anterior encontram-se os músculos extensores cujas origens de inserção são a tíbia, o perónio ou a membrana interóssea, no compartimento lateral estão presentes os músculos externos que se encontram inseridos no perónio e no compartimento posterior alguns músculos possuem origens de inserção

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Capítulo 2. Caraterização da articulação do tornozelo

comuns com os músculos do compartimento anterior, existindo ainda alguns deles que se encontram inseridos no fémur, como o músculo plantar delgado. No último compartimento são apresentadas duas vistas, das quais na vista superficial se encontram representados os gémeos e o solhar que formam a barriga da perna, e que em conjunto com o plantar delgado formam um tendão comum, o tendão de Aquiles [5].

2.3. Cinesiologia da articulação

A cinesiologia ou cinemática de uma articulação é a área que se dedica ao estudo do movimento de um corpo, independentemente das características do seu elemento acionador, por outro lado, se for conhecido o mecanismo de ação coordenada de todos os músculos e ossos que permite que o corpo humano se mova de um lado para o outro, seja a caminhar, a correr ou em qualquer outra atividade comum da rotina diária de uma pessoa saudável, torna-se mais simples analisar os movimentos mais complexos recorrendo à sua desmultiplicação em movimentos mais simples.

Esta área de estudos pode ser utilizada para prepósitos muito distintos, como é o exemplo do estudo dos movimentos por parte dos atletas para melhorar a sua performance e o estudo dos movimentos com o objetivo de perceber os principais mecanismos de lesão, quer para o seu diagnóstico, quer para diferentes métodos de tratamento [12].

Existe uma vertente da cinesiologia que se dedica ao estudo do movimento dos ossos em relação aos três planos principais do corpo: o plano sagital ou medial que divide o corpo em parte esquerda e direita, o plano frontal ou coronal que divide o corpo em anterior e posterior e o plano transverso ou horizontal que divide o corpo em superior e inferior, quando o indivíduo se encontra na posição anatómica tal como na Figura 2.9 [7,13].

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Capítulo 2. Caraterização da articulação do tornozelo

Figura 2.9 - Planos principais de movimento no corpo humano

Adaptado de: http://fog.ccsf.cc.ca.us/~tkobayas/physiokines/08cSkel.shtml

A cinesiologia é o estudo de movimentos da perspetiva de três ciências físicas distintas: anatomia musculosquelética, a fisiologia neuromuscular e a biomecânica. Na gíria é comum confundir-se a terminologia de cinesiologia e biomecânica, no entanto, estas tecnologias abordam temáticas distintas, em que a cinesiologia é a ciência que estuda o movimento e as estruturas ativas e passivas envolvidas e a biomecânica estuda a ação das forças internas e externas no comportamento corporal. Neste contexto, a ciência abordada será a cinesiologia, pois é o seu âmbito que tem relevância no presente trabalho. Enquanto a biomecânica estuda as forças que têm efeito no movimento a cinesiologia estuda o movimento em si, que é o que permitirá compreender de forma mais simplificada quais os principais requisitos no projeto que contempla o presente trabalho [13]. Na presente abordagem não será feito o estudo cinético das forças que exercem sobre os segmentos em estudo, visto que para além de não estar contemplado no objetivo principal do projeto, exigiria que fosse dispensado um período significativo de horas de trabalho para esse efeito.

A artrologia, o estudo da classificação, estrutura e função das articulações é uma importante base para o estudo geral da cinesiologia visto que o envelhecimento, a imobilização prolongada, os traumas e as doenças afetam a estrutura e a função das articulações, influenciando qualitativa e quantitativamente o seu desempenho.

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Capítulo 2. Caraterização da articulação do tornozelo

Tal como já foi referido na caraterização do sistema articular, os movimentos possíveis numa dada articulação relacionam-se com a sua estrutura, em que algumas articulações se limitam apenas a um tipo de movimento e outras podem mover-se em várias direções. Como os graus de liberdade de uma articulação se definem pelo número de movimentos permitidos por essa articulação, ou seja, o número de planos principais em que se movimenta15, pode dizer-se que a articulação do tornozelo possui apenas um grau de liberdade, pois apenas possibilita a movimentação do pé relativamente à perna no plano sagital.

Contudo, é facilmente percetível de forma visual, que há uma enorme variedade de movimentos desempenhados pelo pé relativamente ao resto do corpo. Tais movimentos representam a associação de dois ou mais movimentos simples que se desenvolvem por outras articulações como a do quadril, a do joelho ou pelas articulações existentes entre os ossos do tarso. Esta cooperação permite a reprodução de movimentos mais complexos, tornando a biomecânica do tornozelo mais interessante e dotando-o de caraterísticas funcionais que possibilitam o desempenho de funções essenciais como a locomoção.

Os anatomistas e fisioterapeutas utilizam uma terminologia própria para designar os tipos de movimentos específicos que podem ocorrer numa diartrose (articulação móvel), de acordo com a forma de movimentação, a direção do movimento ou a relação entre duas partes do corpo. Os tipos de movimentos podem ser agrupados em quatro categorias: movimentos de deslizamento (movimento relativo entre superfícies ósseas); movimentos angulares (variação do ângulo entre os ossos que se articulam); movimentos circulares (em que o osso gira em torno do seu próprio eixo longitudinal) e movimentos especiais que ocorrem somente nessas articulações [5,14].

No movimento angular, a movimentação de uma articulação pode ser considerada a partir de duas perspetivas: o segmento distal pode rodar de encontro a um segmento proximal fixo relativamente a ele (movimento distal-proximal), ou um segmento proximal pode rodar de encontro a um segmento distal fixo relativamente a ele (movimento proximal-distal).

Os membros inferiores realizam com facilidade tanto movimentos proximais-distais, como movimentos distais-proximais, como é refletido nas duas fases primárias da marcha16, a fase de apoio (em que o pé está em contacto com o chão) a fase de balanço (em que o pé não estabelece contacto com o chão – quando está dar um novo passo), como se encontra ilustrado na Figura 2.10.

15Em geral, no estudo da biomecânica, um grau de liberdade significa que permite rotação num plano, o que não é verdade do ponto de

vista da engenharia em que um grau de liberdade pode referir-se a um movimento de translação ou a um movimento de rotação (sem que estejam associados).

16O ciclo de marcha (que se encontra representado na Figura 2.10) descreve o comportamento das articulações dos membros inferiores

e dos respetivos segmentos entre o ponto de contacto inicial de um pé com o chão ao ponto que o mesmo pé volta a estabelecer contacto com o chão, caracterizando duas fases distintas, a fase de apoio e a fase de balanço.

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Capítulo 2. Caraterização da articulação do tornozelo

Figura 2.10 - Movimento relativo dos segmentos (ossos) durante a caminhada.

(Adaptada de: http://www.muscleandjoint.ca/knee-pain/orthotics-they)

De acordo com a análise comportamental dos segmentos durante a caminhada pode constatar-se que quando a perna se encontra estendida, fletida ou numa posição intermédia, os movimentos desenvolvidos nas articulações do quadril e joelho têm influências distintas no desempenho funcional do tornozelo. Deste modo, pode concluir-se também que a biomecânica do pé e do tornozelo se encontram complexa e intrinsecamente associadas entre si, visto que o pé é o elemento mecânico integral da extremidade inferior para o qual o tornozelo transfere toda a carga que recebe dos componentes superiores, influenciando de certa forma a orientação do pé relativamente ao chão. Para além de atuar como uma plataforma de suporte estrutural capaz de suportar as cargas repetitivas de múltiplos pesos do corpo, a estrutura pé-tornozelo deve ser também capaz de se ajustar a terrenos com diferentes rugosidades superficiais e a diferentes velocidades de locomoção.

Nos subcapítulos seguintes serão apresentados os diferentes movimentos que afetam a estrutura musculosquelética do tornozelo, e que por consequência têm repercussões no seu desempenho funcional. Para isso torna-se importante clarificar o conceito de eixos geométricos, que são linhas imaginárias que representam o referencial cartesiano tridimensional no corpo humano e que, quando conjugados em pares permitem a definição de planos. É comum referir-se que existem três eixos dos três planos principais que fragmentam o corpo humano que são perpendiculares entre si em três coordenadas espaciais: eixo longitudinal ou vertical (ZZ), eixo transversal ou medio-lateral (YY) e eixo sagital ou ântero-posterior (XX) [6] [1].

2.3.1. Movimento de rotação

Os movimentos circulares consistem na rotação de uma estrutura em torno de um eixo, dos quais a rotação, quer medial como lateral, se refere ao movimento em torno do seu próprio eixo mais longo.

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Capítulo 2. Caraterização da articulação do tornozelo

O pé não tem capacidade de rodar individualmente (como demonstra a Figura 2.11) e por isso quando existe rotação lateral ou rotação medial do pé, significa que o que está em rotação é uma estrutura mais complexa que pode ser composta apenas pela perna e pelo pé (dando-se a rotação na articulação do joelho) ou pela coxa, perna e pé, indicando a origem do movimento na articulação do quadril.

Quando a perna se encontra em extensão total, os movimentos de rotação medial e lateral são realizados em torno de um eixo vertical que passa pela porção central da cabeça femoral. Já o movimento de rotação da articulação do joelho é produzido em torno de um eixo vertical que passa pela espinha da tíbia, sendo nulo em extensão e máximo na semi-flexão, limitado pela ação dos ligamentos laterais e cruzados17 [11].

Figura 2.11 - Ilustração dos movimentos de rotação num plano paralelo ao plano transverso representado.

(Adaptado de: http://www.acefitness.org/blog/2863/explaining-the-planes-of-motion e http://www.hipkneespecialist.co.uk/foot-ankle-examination-gp-education.html)

Tal como foi supramencionado, o movimento de rotação no joelho é apenas possível quando este se encontra fletido (pois quando está em extensão os ligamentos colaterais encontram-se sob tensão garantindo a unificação entre a coxa e a perna) alcançando uma amplitude angular de 30° para a rotação medial e de 10° para a rotação lateral, enquanto que quando a perna se encontra em extensão os valores normais assumidos clinicamente rondam os 45°, quer para a rotação lateral como medial [15]. Na Figura 2.12 encontram-se representados os movimentos de rotação e as respetivas amplitudes.

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Capítulo 2. Caraterização da articulação do tornozelo

Figura 2.12 - Movimento de rotação medial e lateral no tornozelo.

(Adaptado de: http://www.mikestopforth.com/2013/06/12/putting-your-worst-foot-forward/)

2.3.2. Movimentos de flexão e extensão

Nos movimentos angulares existe um aumento ou uma diminuição do ângulo entre duas partes de uma estrutura linear. São também movimentos angulares os que implicam o movimento de uma haste sólida (como um membro) relativamente ao corpo, quando esta se encontra ligada a ele numa das extremidades. Um dos movimentos angulares mais comuns são a flexão e a extensão.

De acordo com a bibliografia, existem diferentes formas de definir os movimentos de flexão e extensão, adotando cada autor uma particularidade que o diferencia dos restantes. Definindo literalmente estes movimentos pode admitir-se que a flexão e a extensão significam dobrar e esticar um segmento relativamente a outro através de um eixo de rotação. No entanto a definição que se encontra presente com maior frequência descreve como flexão o movimento de uma parte do corpo numa direção anterior ou ventral e a extensão como o movimento de uma parte do corpo na direção posterior ou dorsal [14].

Esta definição pode ser aplicada para todas as articulações que desenvolvem um movimento no plano sagital, à exceção da articulação do joelho, para a qual a flexão representa um movimento na direção posterior e a extensão um movimento na direção anterior.

É unicamente no plano sagital (como indica a Figura 2.13) que a articulação tibiotársica possui liberdade para se mover: quando o movimento dos pés se desenvolve para o lado superior, como como andar apenas sobre os calcanhares, diz-se que estão em flexão (frequentemente definido por dorsiflexão ou flexão dorsal) e quando os pés se movem na direção inferior, como o movimento que leva à posição de bicos de pés, diz-se que estão em extensão (conhecido também por flexão plantar).

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Capítulo 2. Caraterização da articulação do tornozelo

Figura 2.13 - Ilustração dos movimentos de flexão e extensão num plano paralelo ao plano sagital representado.

(Adaptado de: http://www.acefitness.org/blog/2863/explaining-the-planes-of-motion e http://www.hipkneespecialist.co.uk/foot-ankle-examination-gp-education.html)

Tendo em conta que os movimentos em análise são desempenhados pela principal articulação em estudo, a articulação do tornozelo, e considerando a caraterização anatómica realizada no subcapítulo anterior, encontram-se representados na Tabela 2.1 os músculos da perna que, atuando em conjunto são responsáveis pelo acionamento dos movimentos de flexão e extensão do pé.

Tabela 2.1 - Músculos da perna que estão envolvidos nos movimentos de flexão e extensão [14].

Músculo Flexão Extensão

Compartimento anterior

Tibial anterior X

Extensor comum dos dedos X

Extensor próprio do dedo grande X

Peronial anterior X

Compartimento lateral

Longo peroneal lateral X

Curto peroneal lateral X

Compartimento posterior Plantar delgado X Gémeos X Poplíteo X Solhar X Tibial posterior X

Longo flexor do grande dedo X

Flexor comum dos dedos X

O movimento de flexão é limitado pela tensão exercida pelos feixes posteriores dos ligamentos laterais externo e interno e o movimento de extensão é limitado pela tensão exercida pelos feixes anteriores dos mesmos ligamentos [11].

Imagem

Figura 2.7 – Caraterização da articulação tibiotársica e dos seus ligamentos pela face lateral
Figura 2.8 - Músculos da perna que atuam sobre a perna, o tornozelo e o pé.
Figura 2.13 - Ilustração dos movimentos de flexão e extensão num plano paralelo ao plano sagital representado
Figura 2.15 - Ilustração dos movimentos de eversão e inversão num plano paralelo ao plano frontal representado
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Referências

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