MODELO PARA QUANTIFICAÇÃO DAS FORÇAS MUSCULARES E ARTICULARES NA COLUNA CERVICAL DURANTE O CICLISMO
Gustavo B. Delwing 1, Maicon Pasini1, Marcelo La Torre1, Ramiro Fialho1, Fabiana Chaise1, Jefferson F. Loss2, Cláudia T. Candotti1
1 Laboratório de Biomecânica – Universidade do Vale do Rio dos Sinos – UNISINOS – São Leopoldo 2 Laboratório de Pesquisa do Exercício – Universidade Federal do Rio Grande do Sul – UFRGS – Porto Alegre
Resumo: Com objetivo de estimar as forças musculares (FMR) e articulares (FAR) resultantes atuantes sobre a coluna cervical durante o ciclismo, nove indivíduos submeteram-se a um protocolo que consistiu em pedalar nas posturas descanso, intermediaria e ataque. A imagem da postura sagital da coluna vertebral foi registrada através de filmagem.
Foram colocados marcadores reflexivos sobre dez pontos anatômicos na cabeça e coluna cervical. Um indivíduo foi submetido a exame radiológico da cabeça e coluna cervical no plano sagital com marcadores de chumbo colocados sobre os mesmos pontos anatômicos de referência. Calcularam-se as FMR e FAR utilizando um modelo biomecânico e as equações de movimento segundo a técnica da dinâmica inversa. Uma Análise de Variança permitiu a comparação dos valores das FMR e FAR entre as posturas. Os resultados demonstram que as FMR e FAR aumentam significativamente (p<0,05) à medida que a coluna cervical se torna mais estendida e a cabeça anteriorizada.
Palavras-chave: ciclismo, dinâmica inversa, coluna cervical, postura
Abstract: In order to test the influence of positioning on the bicycle on the mechanical load placed on the cervical column, nine healthy individuals were submitted to a protocol consisting of pedaling in the rest, intermediary and attack postures. The image of the saggital posture was recorded on digital film. Reflective markers were placed on ten anatomical points of the head and cervical column. A single individual underwent radiological examination of the head and cervical column in the saggital position with lead markers placed over the same anatomical reference points. Using a biomechanical model and movement equations the resultant muscular (MF) and joint (JF) forces were calculated.
ANOVA was used to compare the MF and JF between the postures. The results show that the FM and JF increased significantly (p<0.05) with the extension of the cervical column and the forward location of the head.
Key-words: cycling, inverse dynamics, cervical column, posture.
INTRODUÇÃO
O ciclismo, um dos esportes recreacionais mais populares do mundo, é praticado em atividades de lazer, esportivas e de reabilitação [1, 2, 3].
Considerando esta vasta gama de situações em que o ciclismo pode ser utilizado, não é difícil entender o porquê de várias pesquisas terem sido focadas em cima do complexo ciclista-bicicleta.
No entanto, percebe-se que na maioria das vezes os estudos optam por investigar questões relacionadas com a competitividade e desempenho dos atletas, como por exemplo, analisando a técnica mais econômica e eficiente da pedalada [4] sendo raros
aqueles que abordam o bem estar físico dos praticantes da modalidade.
Nessa perspectiva, alguns estudos têm abordado a presença de desconforto e risco de lesões causadas pela pressão sobre o períneo e região genital [5,6] assim como a ocorrência de patologias nos membros inferiores [2]. Porém, além de serem estudos feitos a partir de uma análise subjetiva, percebe-se que a coluna vertebral não tem atraído seu merecido destaque.
Considerando que os atletas treinam por longos períodos em uma postura aparentemente desfavorável para a sua saúde no intuito de diminuir as forças de arrasto e que a literatura carece de estudos que quantifiquem os valores das
cargas impostas à coluna durante a realização desse tipo de tarefa, este estudo tem por objetivo estimar as forças musculares (FMR) e articulares (FAR) atuantes sobre a coluna cervical durante a prática do ciclismo, a partir da técnica da dinâmica inversa.
MATERIAIS E MÉTODOS
Participaram do estudo nove indivíduos saudáveis do sexo masculino, praticantes de atividade física regularmente. Previamente aos testes, todos os indivíduos receberam informações detalhadas a respeito dos procedimentos realizados e assinaram um termo de consentimento.
Os indivíduos foram posicionados sobre uma bicicleta de competição acoplada a um ciclossimulador cateye CS-1000 para garantir a especificidade do gesto e da postura ao pedalar. O protocolo consistiu em pedalar durante um minuto nas posturas descanso, intermediária e ataque com uma relação de marcha de 53x17 e cadência de 80rpm. A postura de referência refere-se a posição ereta sobre a bicicleta (Figura 1).
(a) (b) (c) (d)
Figura 1 - Posturas utilizadas no protocolo: (a) referência, (b) descanso, (c) intermediária e (d) ataque.
Um indivíduo foi submetido a exame radiológico no plano sagital da coluna vertebral cervical (1) mantendo as curvaturas fisiológicas da coluna vertebral (postura ereta) e (2) realizando
extensão cervical máxima (postura de ataque).
Para este exame, dez marcadores de chumbo com área de 1 cm2 cada foram colocados sobre os seguintes pontos anatômicos do pescoço e da cabeça: manúbrio esternal, proeminência laríngea, no processo mental, anterior ao tragus, na cabeça da mandíbula, no vértice, na protuberância occipital externa e nos processos espinhosos de C1, C4 e C7.
Esses procedimentos foram necessários para estimar a localização do eixo de rotação no centro do corpo vertebral de C7 e a localização da inserção muscular no processo espinhoso de C7.
A realização de radiografias em um único indivíduo e em apenas duas posturas ocorreu por motivos éticos e financeiros. Cabe lembrar que os indivíduos foram previamente selecionados de acordo com suas características antropométricas, constituindo um grupo homogêneo.
Para a aquisição dos dados cinemáticos foram colocados dez marcadores (com diâmetros de 1,4 cm cada) recobertos com papel reflexivo sobre os mesmos pontos anatômicos descritos nos exames radiológicos. Foi utilizada uma câmera filmadora digital JVC 9500 (PAL) com uma freqüência de amostragem de 50 Hz e iluminação direcionada por um equipamento refletor.
As imagens correspondentes à postura sagital da coluna vertebral dos sujeitos foram registradas durante os últimos quinze segundos de cada estágio através de filmagem. Também foi feito um registro de quinze segundos da postura de referência com os sujeitos mantendo os pés estáticos e na mesma altura, os braços ao longo do corpo e a coluna vertebral com suas curvaturas fisiológicas preservadas. Para posterior digitalização das imagens, foram selecionados os
cinco segundos centrais de cada quinze segundos obtidos nas quatro posturas.
Após a realização das filmagens, as imagens foram capturadas através do software ADOBE PREMIERE PRO 2.0 e digitalizadas utilizando o Digital Video For Biomechanics – Windows 32 Bits (DVideow) [7] para a obtenção das variáveis cinemáticas.
Os parâmetros de massa e centro de massa foram retirados das tabelas antropométricas [8, 9] a partir das medidas antropométricas dos indivíduos analisados.
O Modelo Teórico Biomecânico da Coluna Cervical (TBC) utilizado para o cálculo das FMR e FAR na coluna cervical durante o ciclismo foi adaptado do modelo de ação simultânea das forças existente na literatura [10]. O diagrama de corpo livre (DCL) do modelo TBC é apresentado na Figura 02.
Figura 2 - Modelo biomecânico da coluna cervical (DCL), adaptado da literatura [10].
O modelo TBC considera os segmentos cabeça e pescoço como um segmento único, o qual constitui uma rígida estrutura com formato curvilíneo, possui o eixo de rotação localizado no corpo vertebral de C7 e o centro de massa um pouco anterior ao tragus, na cabeça da mandíbula.
Para a análise das forças internas, que se deu a partir da técnica da dinâmica inversa, foram elaboradas rotinas no MATLAB®. A importância de considerar a cabeça e todas as vértebras
cervicais como um único segmento rígido reside no fato de que os objetos rígidos movem-se de acordo com os princípios da mecânica Newtoniana. Partindo desses princípios, pode-se afirmar que o movimento de um corpo rígido qualquer em um sistema referencial inercial, é regido pelas equações de movimento: (1) de translação do centro de massa, através da 2ª Lei de Newton (equação 1) e (2) de rotação, em relação ao princípio de Euler (equação 2).
i i
i m a
Fr r
∑
= (equação 1)i i
i I
Mr =
α
r∑
(equação 2) A partir da formulação das equações de movimento, o próximo procedimento para determinação das forças internas é a distribuição das forças e torques intersegmentares [11]. No caso do modelo TBC, a determinação das forças internas através da técnica da dinâmica inversa consiste na determinação das FMR e FAR . Assim, na técnica de dinâmica inversa aplicada à coluna cervical foi necessária a identificação das forças externas que atuavam no segmento corporal e contribuem para as forças e momentos internos.Estas forças são: (1) força de não-contato (força P) atuando verticalmente no centro de massa do segmento, oriunda da ação da gravidade e (2) forças de contato que atuam na extremidade do segmento (forças intersegmentares em C7), oriundas do segmento corporal adjacente. Estas forças intersegmentares incluem os efeitos compressivos nas cartilagens, estruturas ósseas, efeitos das tensões dos músculos e ligamentos [12].
Para realização destes cálculos, quatro condições foram assumidas: (1) a aceleração angular do segmento cabeça-pescoço é aproximadamente zero; (2) em decorrência da
aceleração angular do segmento ser aproximadamente zero o momento de inércia do segmento, também pode ser assumido como zero;
(3) a dM⊥ e dP⊥ foram obtidas a partir da análise das radiografias no plano sagital em cada postura realizada e (4) a massa do segmento cabeça- pescoço foi retirada das tabelas antropométricas e permitiu no cálculo da força P.
Desse modo, partindo do pressuposto de que o movimento da coluna cervical durante o ciclismo atende o principio do equilíbrio rotacional, assumiu-se que o somatório dos momentos flexores e extensores, em torno de C7, é igual a zero (equação 3). Desenvolvendo esta equação, e isolando-se a força muscular, obteve-se a equação 4, que apresenta o valor da força muscular resultante.
M
P
M
M =
(equação 3)( )
⊥
⋅ ⊥
=
M R P
M d
d
F Pr
r
r r (equação 4)
Decompondo a força muscular resultante nas componentes paralela FMX e perpendicular FMY, e
partindo do principio de equilíbrio translacional, o qual considera que o somatório das forças é igual a zero, obteve-se as equações 5 e 6, nas quais, ao isolar a força articular nas suas componentes paralela FAX e perpendicular FAY e utilizando a equação 7, obteve-se a força articular resultante.
= 0 +
MXX
A
F
F
(equação 5)= 0 + + F P
F
AY MY (equação 6)(
AY)
X A R
A
F F
F = +
(equação 7) Para a análise estatística foi utilizado o software SPSS 10.0. Inicialmente foi verificada e confirmada a equivalência das variâncias (Teste de Levene) e normalidade dos dados (Shapiro-Wilk). Os valores de FM e FA foram submetidos a uma Análise de Variança de um fator e a um teste post hoc de Bonferroni, para verificar onde estavam as diferenças entre as quatro posturas. O nível de significância adotado foi 0,05.
RESULTADOS
As magnitudes das FMR e FAR aumentam significativamente à medida que a coluna cervical se torna mais estendida e anteriorizada (Figura 3), estando diretamente relacionados aos diferentes tipos de posicionamentos dos indivíduos na bicicleta.
Os resultados demonstraram que, tanto para a FMR quanto para a FAR, existe diferença significativa (p<0,01) tanto para os valores médios quanto para os valores máximos entre as quatro posturas. Apenas entre as posturas descanso e intermediária para a força muscular máxima (pico de força muscular) não foi encontrada diferença significativa (p=0,051).
DISCUSSÃO
Este estudo foi realizado com o propósito de investigar a influência do posicionamento do individuo na bicicleta, durante a pedalada, sobre a sobrecarga mecânica na coluna cervical. Os resultados confirmaram as especulações iniciais de que a magnitude das FMR e FAR na coluna cervical seriam maiores: (1) nas posturas descanso, intermediaria e ataque, quando comparadas à postura ereta e (2) nas posturas intermediária e ataque, quando comparados à postura de descanso.
(Figura 3). Embora as FMR e FAR aumentem gradativamente à medida que a coluna cervical vai sendo anteriorizada e estendida, este aumento não ocorre proporcionalmente.
0 200 400 600 800 1000
média pico média pico
Força (N)
ereta descanso intermediaria ataque Força Muscular Força Articular
*
* * *
Figura 3 - Valores de média e erro-padrão das forças musculares e articulares (N) nas posturas ereta, descanso, intermediária e ataque e diferenças significativas (*) encontradas entres as posturas (p<0,05.)
Por exemplo, quando os indivíduos modificaram sua postura de ereta para descanso, os valores de FM média aumentaram em 85% e de FA média em 69,1%. Quando o sujeito passa da postura de descanso para intermediária os valores de FM média aumentaram em 30,7% e de FA média em 35,3%. Ao passar da posição intermediária para ataque os valores de FM média aumentam 35,5% enquanto que a média da FA aumenta 38%. O mesmo padrão foi encontrado para as magnitudes máximas (pico) das FMR e FAR.
Uma explicação para o aumento das FMR e FAR a medida em que a cabeça se torna mais anteriorizada e a coluna cervical mais estendida reside no fato de que conforme a postura é alterada também ocorre alteração das distâncias perpendiculares das forças peso e muscular.
Quando a cabeça se torna mais anteriorizada e estendida, a dP⊥ aumenta, ocasionando um aumento no momento flexor. Para contrabalançar esse aumento na magnitude do momento flexor, a fim de manter o sistema em equilíbrio rotacional, e considerando que a dM⊥ diminui com as alterações de postura, sendo menor na postura de ataque, ocorre um aumento no momento extensor [3], promovido graças a um aumento na magnitude da força muscular. Considerando que a força
muscular causa uma influência direta sobre a força articular, ou seja, a estimativa da força articular é realizada a partir do conhecimento da força muscular [12], o comportamento da força articular nas diferentes posturas tende a ser semelhante ao comportamento da força muscular. Assim, a força articular aumenta a medida em que a postura do ciclista se modifica do descanso para o ataque.
Apesar da contribuição do presente estudo ao entendimento das forças internas que atuam na coluna cervical, algumas considerações devem ser feitas a respeito das limitações do estudo. Entre elas, cita-se fato do modelo biomecânico que representa a cabeça e a coluna cervical ser considerado um único e rígido segmento, com um único eixo de rotação [10], pois sabe-se que a coluna vertebral cervical além de não ser rígida, possui vários eixos de rotação. Uma segunda limitação reside na atribuição de um único vetor de força representativo das forças musculares, uma vez que este segmento possui cerca de doze músculos atuando como extensores. Como terceira limitação, tem-se o fato de avaliar o movimento apenas no plano sagital, considerando somente os músculos extensores, ignorando os demais planos de movimento e, por conseqüência, os demais músculos da coluna cervical.
Pensando em melhor equacionar o problema da sobrecarga mecânica durante o ciclismo, na coluna cervical, entende-se necessário o desenvolvimento de um modelo com um número maior de segmentos articulados, assim como a incrementação de outros vetores representativos das forças musculares. Além disso, acredita-se ser interessante a adição de outras técnicas metodológicas, como por exemplo a da eletromiografia de superfície (EMG), a partir da qual é possível agregar dados como níveis de ativação neuromuscular [13], os quais poderiam ser relacionados com os valores estimados das forças musculares a partir da técnica da dinâmica inversa.
CONCLUSÃO
Os resultados demonstraram que as magnitudes das FMR e FAR aumentam significativamente à medida que a coluna cervical se torna mais estendida e anteriorizada, estando diretamente relacionados aos diferentes tipos de posicionamentos dos indivíduos na bicicleta, ou seja, às posturas de descanso, intermediaria e ataque.
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24 (7): 698-703.
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