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RENATA MANZANO MARIA
APRIMORAMENTO E APLICAÇÃO CLÍNICA DE UM APARELHO PARA AVALIAÇÃO DE ESPASTICIDADE EM LESADOS MEDULARES
IMPROVEMENT AND CLINICAL APPLICATION OF AN EQUIPMENT DESIGNED TO EVALUATE SPASTICITY IN SPINAL CORD INJURED PATIENTS
CAMPINAS 2014
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Ciências Médicas
RENATA MANZANO MARIA
APRIMORAMENTO E APLICAÇÃO CLÍNICA DE UM APARELHO PARA AVALIAÇÃO DE ESPASTICIDADE EM LESADOS MEDULARES
IMPROVEMENT AND CLINICAL APPLICATION OF AN EQUIPMENT DESIGNED TO EVALUATE SPASTICITY IN SPINAL CORD INJURED PATIENTS
Dissertação apresentada à Faculdade de Ciências Médicas da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestra em Ciências.
Dissertation presented to the Faculty of Medical Sciences of State University of Campinas as part of the requirements to obtain the title of Master of Science.
ORIENTADOR: ALBERTO CLIQUET JÚNIOR
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELA ALUNA RENATA MANZANO MARIA, E ORIENTADA PELO PROF. DR. ALBERTO CLIQUET JÚNIOR.
CAMPINAS
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RESUMO
Neste trabalho é apresentada uma proposta de um sistema completo para coletar, processar e analisar sinais resultantes do teste pendular, com a finalidade de avaliar a espasticidade na prática clínica. Comumente apresentada por lesados medulares, a espasticidade pode ser quantificada pela análise dos sinais de ângulo da articulação do joelho e de vibração do quadríceps durante o balanço, monitorados por um eletrogoniômetro e um acelerômetro triaxial, respectivamente. O acompanhamento de cinco pacientes, durante o programa de reabilitação, permitiu estabelecer uma relação entre os indicadores calculados, evidenciando uma relação positiva entre o índice de relaxamento - R2n, razão de amplitude - R1, valor quadrático médio – RMS e envoltórias do sinal para casos de espasticidade severa. Comprova-se assim a maior aplicabilidade do acelerômetro nestes casos, e a possibilidade de utilização do acelerômetro, como forma complementar, no teste pendular para quantificação da espasticidade.
Palavras-chave: Espasticidade Muscular; Engenharia Biomédica; Traumatismos
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ABSTRACT
In this project is presented a proposal of a complete system to acquire, process and analyze pendulum test signals, aiming to assess spasticity in clinical practice. Often presented by spinal cord injured people, spasticity can be quantified by signals of knee joint angle and quadriceps vibration during the swing, monitored by an electrogoniometer and a triaxial accelerometer, respectively. Five patients following, through the rehabilitation program, made possible to establish a relation between relaxation index - R2n, amplitude ratio - R1, root mean square (RMS) and wrapped signals to severe spasticity. Thus, it is confirmed that, in these cases, accelerometer is more efficient and its feasibility is ratified as a possibility in pendulum test to quantify spasticity.
Keywords: Muscle Spasticity; Biomedical Engineering; Spinal Cord Injuries,
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Sumário
RESUMO... VII ABSTRACT ... IX DEDICATÓRIA ... XIII AGRADECIMENTOS ... XVLISTA DE FIGURAS ... XVII
LISTA DE TABELAS ... XIX
1. INTRODUÇÃO ... 1 1.1 AESPASTICIDADE ... 3 1.1.1 SISTEMA MOTOR ... 6 1.1.1.1 Planejadores ... 7 1.1.1.2 Ordenadores ... 7 1.1.1.3 Efetuadores ... 8 1.1.1.4 Controladores ... 8 1.1.1.5 Vias Reflexas ... 12
1.2 SÍNDROME DO NEURÔNIO MOTOR SUPERIOR ... 15
1.3 TRATAMENTO DA ESPASTICIDADE ... 16
1.4 AVALIAÇÃO DA ESPASTICIDADE ... 16
1.4.1 OTESTE PENDULAR ... 17
2. MATERIAIS E MÉTODOS ... 21
2.1 SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS E ANÁLISE ... 21
2.2 TRANSDUTORES ... 21
2.2.1 ELETROGONIÔMETRO ... 21
xii
2.3 DISPOSITIVO PARA AQUISIÇÃO DE DADOS ... 26
2.4 INTERFACE HUMANA ... 32
2.4.1.1 Identificação do Dispositivo ... 32
2.4.1.2 Aquisição, Visualização e Armazenamento ... 34
2.4.1.3 Análise ... 40 2.5 PROTOCOLO EXPERIMENTAL ... 52 3. RESULTADOS ... 55 4. CONCLUSÕES ... 67 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 69 ANEXOS ... 73
xiii
DEDICATÓRIA
xv
AGRADECIMENTOS
Primeiramente, a Deus. Fonte de força, serenidade e sabedoria.
Especialmente, a minha família e amigos que me ajudaram, seja por meio de conselhos técnicos ou conversas que me fizeram persistir e vencer várias etapas
difíceis.
A uma pessoa especial que compartilhou comigo um sonho, quando tudo parecia perdido.
Ao professor Alberto Cliquet Jr, por ter me dado a chance de trabalhar no laboratório de engenharia de reabilitação (LABCIBER) e permitir a realização dos
testes no Laboratório de Biomecânica e Reabilitação do Aparelho Locomotor do Hospital das Clínicas (UNICAMP). Às novas amizades como consequência deste trabalho: no LABCIBER, Varoto, pela companhia, viagens realizadas e desabafos,
me ajudando e aconselhando, sendo sempre muito atencioso e prestativo; na UNICAMP, Karina, pela receptividade e bom humor, Elisa, pela paciência e solicitude, a principal responsável pela execução dos testes nos pacientes do
laboratório e com quem compartilhei os maiores desafios.
E finalmente, sou grata a tudo e a todos que fizeram parte diretamente ou indiretamente para o sucesso deste trabalho.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Representação do Sistema Nervoso Central (Fonte: Autoria própria) ________________ 4 Figura 2. Disposição das raízes ventrais e dorsais (Fonte: Autoria própria) ___________________ 5 Figura 3. Diagrama de relacionamento entre elementos de operação do sistema motor _________ 6 Figura 4. Fusos musculares e órgãos tendinosos de Golgi (Fonte: Autoria própria) ____________ 9 Figura 5. Diagrama de respostas ao aumento do comprimento muscular ___________________ 10 Figura 6. Diagrama de respostas à diminuição do comprimento muscular ___________________ 11 Figura 7. Diagrama de respostas ao aumento da tensão muscular ________________________ 11 Figura 8. Diagrama de respostas à diminuição da tensão muscular ________________________ 12 Figura 9. Receptores, vias aferentes e motoneurônios (Fonte: Autoria própria) _______________ 14 Figura 10. Indicadores para quantificação da espasticidade ______________________________ 19 Figura 11. Eletrogoniômetro Modelo Shape Sensor S700 Joint ___________________________ 22 Figura 12. Circuito com acelerômetro MMA 7361L _____________________________________ 23 Figura 13. Modelo físico simplificado (Adaptado de Freescale Semicondutor, 2008) ___________ 23 Figura 14. Acelerômetro: Saída x Orientação (Adaptado de Freescale Semiconductor, 2008) ___ 24 Figura 15. Envoltória de um sinal ___________________________________________________ 25 Figura 16. Diagrama do sistema global. O sistema analógico é obtido a partir dos transdutores, convertido para sinal digital pelo microcontrolador e enviado ao software pela comunicação USB.26 Figura 17. Diagrama elétrico do sistema _____________________________________________ 28 Figura 18. Esquema da placa de circuito impresso _____________________________________ 29 Figura 19. Placa de circuito impresso do sistema ______________________________________ 29 Figura 20. Placa final montada _____________________________________________________ 30 Figura 21. Equipamento final alimentado e em funcionamento ____________________________ 30 Figura 22. Protótipo anterior - comunicação serial, placa universal e bateria de alimentação ____ 31 Figura 23. Nova versão do sistema - comunicação USB, placa de circuito impresso, alimentação realizada pelo próprio USB _______________________________________________________ 32 Figura 24. Tela de geração de driver para o dispositivo _________________________________ 33 Figura 25. Tela para seleção de usuário _____________________________________________ 34 Figura 26. Tela para calibração do eletrogoniômetro ___________________________________ 35 Figura 27. Tela para conexão do dispositivo __________________________________________ 36 Figura 28. Tela para relacionar o teste a um determinado paciente ________________________ 36 Figura 29. Tela para visualização em tempo real dos dados obtidos _______________________ 37 Figura 30. Seleção do tipo de gráfico _______________________________________________ 37 Figura 31. Tela para seleção da coleta a ser consultada ________________________________ 38 Figura 32. Tela para consulta dos dados armazenados _________________________________ 39
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Figura 33. Opções para visualização da tabela de dados ________________________________ 40 Figura 34. Janela para exportar tabela de dados em arquivo texto _________________________ 40 Figura 35. Tela inicial do sistema de análise __________________________________________ 41 Figura 36. Diagrama de tratamento dos sinais ________________________________________ 42 Figura 37. Suavização do sinal (eletrogoniômetro) _____________________________________ 43 Figura 38. Preenchimento de pontos (eletrogoniômetro) ________________________________ 44 Figura 39. Identificação do ponto de início (eletrogoniômetro) ____________________________ 44 Figura 40. Exclusão de patamares do sinal (eletrogoniômetro) ___________________________ 45 Figura 41. Identificação de extremos (eletrogoniômetro) ________________________________ 46 Figura 42. Identificação de picos, vales e ponto de término (eletrogoniômetro) _______________ 46 Figura 43. Definição de faixa para cálculo de integral de envoltória (eletrogoniômetro) _________ 47 Figura 44. Preenchimento de pontos (acelerômetro)____________________________________ 47 Figura 45. Método de média móvel aplicado ao sinal (acelerômetro) _______________________ 48 Figura 46. Identificação do ponto de início e término (acelerômetro) _______________________ 48 Figura 47. Filtragem do sinal (acelerômetro) __________________________________________ 49 Figura 48. Identificação de picos e vales (acelerômetro) ________________________________ 50 Figura 49. Tela de visualização e ajuste dos sinais _____________________________________ 51 Figura 50. Tela resumo de indicadores ______________________________________________ 52 Figura 51. Posicionamento dos sensores na perna do paciente ___________________________ 54 Figura 52. Espectro de frequências – Eixo X __________________________________________ 56 Figura 53. Espectro de frequências – Eixo Y __________________________________________ 57 Figura 54. Espectro de frequências – Eixo Z __________________________________________ 58 Figura 55. Gráfico de barras Amplitude x Frequência - Controle __________________________ 59 Figura 56. Gráfico de barras Amplitude x Frequência – Lesado medular Pré (0) - Pós (1) ______ 59 Figura 57. Sinais pré treinamento referentes a um paciente com espasticidade severa ________ 62 Figura 58. Sinais pós treinamento referentes a um paciente com espasticidade severa ________ 62 Figura 59. Sinais pré treinamento referentes a um paciente com espasticidade leve __________ 62 Figura 60. Sinais pós treinamento referentes a um paciente com espasticidade leve __________ 63 Figura 61. Relação entre parâmetros calculados a partir do sinal do eletrogoniômetro _________ 63 Figura 62. Relação entre parâmetro do eletrogoniômetro e acelerômetro - eixo x _____________ 64 Figura 63. Relação entre parâmetro do eletrogoniômetro e acelerômetro - eixo y _____________ 65 Figura 64. Relação entre parâmetro do eletrogoniômetro e acelerômetro - eixo z _____________ 65 Figura 65. Relação entre parâmetro do eletrogoniômetro e acelerômetro - média (x,y,z) _______ 66
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Escala modificada de Ashworth ____________________________________________ 17 Tabela 2. Características dos pacientes participantes __________________________________ 53 Tabela 3. Resultados do teste pendular _____________________________________________ 60
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1.
INTRODUÇÃO
A lesão da medula espinhal é um dos mais graves acometimentos que pode afetar o ser humano, apresentando enorme repercussão física, psíquica e social (Brasil, 2013). Por esta razão, profissionais de diversas áreas têm somado forças para integrar lesados medulares da melhor forma à sociedade, bem como proporcionar melhores condições de vida. Neste contexto, destaca-se o desenvolvimento de novas técnicas e metodologias com o intuito de recuperar a sensibilidade e função motora, além de atenuar complicações consequentes da lesão, como a perda de massa óssea, infecções e espasticidade.
Embora não existam dados precisos com relação à incidência de ocorrência da lesão medular no Brasil, estima-se que ocorram em torno de 6 a 8 mil novos casos por ano, sendo 80% homens e 60% com idade entre 10 e 30 anos (Brasil, 2013). A lesão, no entanto, pode ser traumática ou não traumática e a classificação é realizada segundo a padronização internacional determinada pela ASIA – American
Spinal Injury Association, em que força motora, sensibilidade e reflexos são
examinados. Em paralelo, pode-se também classificar a lesão como completa, quando não há existência de função motora e sensibilidade nos segmentos abaixo da lesão, e incompleta quando estas são preservadas parcialmente. Referindo-se ao nível da lesão, ainda classifica-se como paraplegia, quando há comprometimento de tronco e membros inferiores, e tetraplegia, quando, além, há o comprometimento dos membros superiores.
Estudos em centros de reabilitação revelam que a maior parte dos casos traumáticos relaciona-se a acidentes automobilísticos e ferimentos por projétil de arma de fogo, como segunda causa mais comum (Brasil, 2013). A localização anatômica da lesão está diretamente relacionada ao mecanismo de trauma e cerca de 2/3 das lesões medulares estão localizadas no segmento cervical. Lesões da medula na região torácica ocorrem em 10% das fraturas desse segmento e em 4% das fraturas da coluna toracolombar (Defino, 1999).
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As causas não traumáticas correspondem à cerca de 20% dos casos de lesão medular e compreendem, dentre as diversas patologias, tumores, tuberculose, osteomielite, osteoporose, deformidades graves na coluna, isquemia, além de patologias infecciosas e autoimunes, como a esclerose múltipla (Brasil, 2013). A alteração das vias de transmissão de impulsos nervosos, devido à lesão medular, desencadeia disfunções como a dor neuropática, alterações vasculares e espasticidade, sendo esta última uma disfunção geralmente apresentada por movimentos involuntários em flexão e extensão.
A espasticidade representa um dos componentes da Síndrome do Neurônio Motor Superior e é caracterizada pelo aumento da resistência ao se estirar um músculo, proporcional ao aumento da velocidade do movimento (Nitrini e Bacheschi, 2003). Pode causar dores, distúrbios de sono, complicações desnecessárias e dificuldades na execução dos cuidados com o lesado medular. Por esta razão, a necessidade de se identificar tratamentos objetivos e métodos de medida com resultados sólidos vem sendo enfatizada. De forma geral, são três os principais objetivos do tratamento da espasticidade: melhora da função motora, redução de riscos de complicações e alívio da dor (Barnes, 1998).
Dentre os tratamentos disponíveis, incluem-se a fisioterapia, os agentes farmacológicos, a utilização de injeções de toxina botulínica ou fenol e tratamentos cirúrgicos (Teive et al., 1998). Dentre os tratamentos fisioterápicos, que visam normalizar o tônus muscular, destaca-se o treino de marcha em esteira com suspensão parcial de peso em conjunto com a realização de Estimulação Elétrica NeuroMuscular (EENM).
Os efeitos antiespásticos dessas técnicas não têm sido inteiramente explorados devido à escassez de métodos validados para avaliação. A identificação de padrões da espasticidade é atualmente bastante explorada, pois é capaz de fornecer indicadores quantitativos e qualitativos. Alguns dos métodos mais utilizados são a Escala de Ashworth Modificada, goniometria, teste pendular, análise de marcha e avaliação quantitativa da força muscular.
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Diversos estudos de validação do teste pendular têm sido realizados ao longo do tempo, entretanto, em grande parte, por meio da utilização de dispositivos de difícil manejo e de alto custo.
Tem-se por objetivo neste trabalho o desenvolvimento de um sistema que auxilie na realização do teste pendular, diminuindo a dificuldade na execução e auxiliando no cálculo dos resultados.
Complementarmente, a adição de um acelerômetro triaxial, como redundância para o eletrogoniômetro, permitirá comprovar sua aplicabilidade, possibilitando sua utilização independente no futuro, o que garantiria mais flexibilidade ao teste. Neste sentido, a sequência de abordagem dos tópicos para este trabalho foi definida de forma a apresentar, no Capítulo 1, as características da espasticidade, o teste pendular e trabalhos relacionados. No Capítulo 2, é feita uma exposição sobre o desenvolvimento do sistema para quantificação e análise, além da apresentação do protocolo seguido no experimento. Nos Capítulos 3 e 4, são listados os resultados e as conclusões finais.
1.1
A ESPASTICIDADE
A espasticidade reflete a desorganização do sistema motor, devido à interrupção de vias de importante papel regulador da motricidade, apresentada por pessoas que tiveram seu Sistema Nervoso Central (SNC) agredido em algum momento.
O SNC é constituído por uma porção intracraniana, o encéfalo, e por uma porção que se situa no interior do canal vertebral, a medula espinhal. Pode ser dividido em: medula espinhal, tronco cerebral (constituído pelo bulbo, ponte e mesencéfalo), diencéfalo e hemisférios cerebrais. O mesencéfalo situa-se acima da ponte, no limite superior da fossa posterior, que é limitada superiormente pela tenda do cerebelo (Nitrini e Bacheschi, 2003).
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Acompanhando a coluna vertebral, a medula possui 30 segmentos divididos em quatro grupos (Figura 1): cervical (com oito segmentos, abreviados C1 a C8), torácico (T1 a T12), lombar (L1 a L5) e sacro (S1 a S5).
Figura 1. Representação do Sistema Nervoso Central (Fonte: Autoria própria)
De um modo geral, as células do corno dorsal recebem aferências sensoriais das fibras da raiz dorsal, as células do corno ventral projetam axônios às raízes ventrais que inervam músculos e as células da zona intermediária são interneurônios modulando eferências motoras em resposta a aferências sensoriais e a comandos descendentes do encéfalo (Figura 2) (Bear et al., 2002).
Sendo assim, a medula espinhal é o principal condutor de informação da pele, das articulações e dos músculos até o encéfalo, e daí de volta à pele, às articulações e aos músculos. Os neurônios da substância cinzenta espinhal iniciam a análise da
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informação sensorial e têm um papel decisivo na coordenação dos movimentos, sendo capazes de articular reflexos simples (Bear et al., 2002).
Figura 2. Disposição das raízes ventrais e dorsais (Fonte: Autoria própria)
A substância branca da medula espinhal é constituída por conjuntos de axônios ou fibras nervosas agrupadas, que recebem o nome de tratos e situa-se ao redor da substância cinzenta. É formada por tratos ascendentes, descendentes e pelos tratos que conectam os dois hemisférios (Nitrini e Bacheschi, 2003).
O trato corticospinal lateral localiza-se na porção lateral da substância branca da medula espinhal e atua principalmente sobre moto-neurônios responsáveis pela inervação de músculos distais dos membros. Sua ação pode acarretar movimentos delicados nas extremidades (Nitrini e Bacheschi, 2003).
O trato corticospinal anterior localiza-se no funículo anterior da medula espinhal e seus axônios terminam principalmente em motoneurônios localizados em ambos os lados da medula espinhal. Esses motoneurônios inervam músculos axiais e proximais dos membros de ambos os lados do corpo (Nitrini e Bacheschi, 2003).
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1.1.1 SISTEMA MOTOR
Os movimentos não dependem da ação apenas dos músculos, mas sim de um complexo sistema de programação, comando e controle que envolve desde o cérebro até as fibras musculares, denominado Sistema Motor.
Na organização do ato motor voluntário distingue-se uma etapa de preparação, que termina com a elaboração do programa motor e uma etapa de execução. A primeira envolve áreas de associação do córtex cerebral em interação com o cerebelo e o corpo estriado. A segunda envolve as áreas motoras e pré-motora do córtex e suas ligações diretas e indiretas com os neurônios motores. Como parte da etapa de execução, temos também os mecanismos que permitem ao sistema nervoso central promover os necessários ajustes e correções no movimento já iniciado (Machado, 2000).
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São quatro os elementos de operação do sistema motor (Figura 3): os efetuadores, que realizam os movimentos; os ordenadores, responsáveis por comandar os efetuadores; os controladores, que zelam pela execução correta dos comandos motores e se comunicam com os ordenadores; e os planejadores, responsáveis pelas sequências de comando que produzem os movimentos voluntários complexos (Lent, 2010).
1.1.1.1
PLANEJADORES
O início de certos movimentos, sua execução harmônica, o alcance dos objetivos e a finalização da ação são controlados pelo cerebelo e pelo núcleo base, regiões de assessoria do córtex motor. Orientam na avaliação dos comandos enviados aos ordenadores medulares e na avaliação da execução das contrações musculares que possibilitam os movimentos (Lent, 2010).
Os movimentos são planejados, programados e comandados por diferentes regiões do córtex motor no lobo frontal, através de mapas ordenados de representação do corpo que garantem que os neurônios motores possam comandar a força, a velocidade, a amplitude e a direção de cada movimento com a maior precisão (Lent, 2010).
1.1.1.2
ORDENADORES
Os ordenadores responsáveis pelo comando motor são conjuntos de neurônios motores, ou motoneurônios. Eles têm origem na medula espinhal, terminando nos músculos do corpo e parte dos músculos do pescoço, e origem no tronco encefálico, terminando nos músculos da cabeça e em alguns do pescoço. Os motoneurônios são também chamados de neurônios motores inferiores, sendo que os neurônios que os comandam, principalmente os do córtex cerebral, são chamados de neurônios motores superiores (Lent, 2010).
8
De acordo com sua forma, conexões e função, os motoneurônios distinguem-se em: motoneurônios α, emergem das raízes ventrais musculares, inervam a maioria das fibras musculares e comandam a contratilidade muscular; motoneurônios γ, inervam fusos musculares e são especializados na monitoração do comprimento muscular, não influenciando diretamente no mecanismo de contração; e motoneurônios β, cujos axônios bifurcam-se em ramos que inervam as mesmas fibras que o motoneurônio α e as mesmas que o motoneurônio γ. Em conjunto, motoneurônios γ e β são chamados de neurônios fusimotores (Lent, 2010).
Os interneurônios encontram-se misturados aos motoneurônios, na medula e no tronco encefálico. Podem ser excitatórios ou inibitórios, e participam da modulação do comando motor (Lent, 2010).
1.1.1.3
EFETUADORES
Músculos são conjuntos maciços ou frouxos de células alongadas, capazes de mudar o seu comprimento ativamente, contraindo-se ou relaxando sob controle direto ou indireto de fibras nervosas, ou mesmo de forma espontânea segundo ritmos intrínsecos que eles mesmos produzem (Lent, 2010).
Formado pelos músculos estriados esqueléticos, os efetuadores funcionam estritamente sob comando neural, por meio de comando dos ordenadores.
1.1.1.4
CONTROLADORES
Os comandos enviados pelos ordenadores aos efetuadores são resultado de uma ponderação entre a sequência enviada pelos planejadores e a retroalimentação enviada pelos controladores. Esta retroalimentação fornece informações sobre o estado do músculo também para os planejadores, que podem assim gerar novas sequências e reenviá-las aos ordenadores, corrigindo possíveis erros de execução e movimento.
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O cerebelo é um importante centro de controle do movimento. Ele recebe aferências maciças da medula espinhal e da ponte. As aferências medulares trazem informações a respeito da posição no espaço. As aferências pontinas levam informação do córtex cerebral especificando a meta do movimento pretendido. O cerebelo compara este tipo de informação e calcula a sequência de contrações musculares necessárias para se atingir a meta do movimento. Lesões do cerebelo resultam em movimentos descoordenados e imprecisos (Bear et al., 2002).
Responsáveis pelo envio destas informações, os detectores (Figura 4) estão localizados no próprio músculo e são denominados fusos musculares e órgãos tendinosos de Golgi (Lent, 2010).
Figura 4. Fusos musculares e órgãos tendinosos de Golgi (Fonte: Autoria própria)
Os fusos musculares são responsáveis por detectar variações no comprimento muscular, estando localizados em paralelo às fibras musculares. Possuem uma inervação eferente de comando motor pertencente ao grupo de motoneurônios γ. Possui também fibras aferentes mecanorreceptoras do tipo Ia e II, com grande velocidade de condução de impulsos nervosos até a medula.
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Pode-se dizer, portanto que as variações do comprimento muscular são codificadas em frequência de potenciais de ação pelas fibras aferentes Ia, e constituem parte da informação de retroação que os motoneurônios precisam (Lent, 2010).
A Figura 5 mostra as respostas consequentes do aumento do comprimento muscular, que gera o estiramento das fibras intra e extrafusais e o aparecimento do potencial receptor por meio das fibras aferentes Ia. Neste caso, há um aumento no disparo de potenciais de ação até a medula.
Figura 5. Diagrama de respostas ao aumento do comprimento muscular
A Figura 6 indica a regulação que ocorre na diminuição do comprimento muscular. Para garantir que as fibras intrafusais também se contraiam, são enviados comandos dos centros motores superiores, regulando assim a amplitude do potencial receptor e a frequência de disparo de potenciais até a medula.
Aumento de comprimento muscular Estiramento de fibras intra e extrafusais Aumento de tensão mecânica na membrana
das fibras aferentes Ia
Aparecimento de potencial receptor
Aumento da frequência de disparo de potenciais de ação até a medula pelos aferentes
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Figura 6. Diagrama de respostas à diminuição do comprimento muscular
Em contrações isotônicas, apenas o comprimento do músculo se altera. Em contrações isométricas, ocorre a variação da tensão, sem grande alteração do comprimento (Lent, 2010).
Formada por fibras colágenas, os órgãos tendinosos de Golgi possuem ramificações das fibras aferentes do tipo Ib. São localizados em série entre o músculo e o tendão, detectando qualquer tensão ativa produzida pelas fibras musculares.
Nas Figura 7 e Figura 8, são descritas as respostas ao aumento e diminuição da tensão muscular, respectivamente. Nota-se que não há mecanismo regulador de sensibilidade da fibra neste caso.
Figura 7. Diagrama de respostas ao aumento da tensão muscular Diminuição de comprimento muscular Contração apenas das fibras extrafusais
Sob o controle de centros motores superiores, fusimotores β regulam a
tensão das fibras intrafusais
Regulação da amplitude do potencial receptor dos terminais Ia e II
Regulação da frequência de disparo de potenciais até a medula pelos aferentes
Aumento de tensão muscular
Estiramento das fibras colágenas
Estimulação dos terminais Ib
Aumento de potencial receptor
Aumento de frequência dos potenciais de ação até a medula pelas fibras Ib.
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Figura 8. Diagrama de respostas à diminuição da tensão muscular
1.1.1.5
VIAS REFLEXAS
Reflexos são, além de movimentos automáticos em resposta a um estímulo sensorial, mecanismos de extrema importância na regulação dos movimentos, ajustando o comprimento e tensão dos músculos de acordo com a necessidade do momento.
Dentre as classificações existentes, o reflexo de estiramento (ou miotático) possui maior importância na compreensão da espasticidade. Considerado um reflexo extensor antigravitatório de importância postural, possui como característica a contração de um músculo em resposta ao seu próprio estiramento e continua a funcionar até mesmo quando a medula espinhal é transeccionada, tornando-se separada do encéfalo. No entanto, nos indivíduos normais, os reflexos são constantemente submetidos ao controle dos centros superiores, que os modulam e regulam continuamente (Lent, 2010).
As vias reflexas, em geral mais curtas, são formadas por fibras ou colaterais que se destacam das grandes vias aferentes e fazem sinapse com o sistema eferente, fechando arcos reflexos, ora mais, ora menos complexos (Machado, 2000).
O estiramento do fuso muscular é o estímulo para o reflexo de estiramento (miotático), como o que ocorre quando um músculo é estirado passivamente. Isto faz com que suas fibras sensoriais Ia disparem sinais com maior frequência até a
Diminuição de tensão muscular Decréscimo/desaparecimento de potencial receptor
Decréscimo/desaparecimento da frequência dos potenciais de ação até a medula pelas
fibras Ib.
Inexistência de mecanismo de controle de regulação de
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medula (potencial receptor), excitando os motoneurônios α, o que causa uma maior contração nas fibras musculares do músculo estirado.
Entretanto, são estimulados não apenas interneurônios que excitam motoneurônios destinados a músculos agonistas ao estirado, mas também interneurônios que inibem motoneurônios destinados a músculos antagonistas, que se mantêm relaxados (inibição recíproca). Este mecanismo evita espasmos musculares e danos devido ao superestiramento, regulando a excitação dos motoneurônios. A sensibilidade dos fusos musculares pode ser regulada ativamente pelos motoneurônios γ e fusimotores β. Estes são excitados pelos mesmos sinais que excitam os motoneurônios α, além de sinais provenientes da região pontina facilitatória do tronco cerebral fazendo com que as fibras intra e extrafusais se contraiam ao mesmo tempo, efeito denominado co-ativação α-γ.
Em consequência da contração, há um aumento de tensão muscular, indicado pelos órgãos tendinosos de Golgi, que por meio das fibras sensoriais Ib enviam sinais até a medula. Nela, os interneurônios inibitórios, diminuem a excitação do motoneurônio alfa, modulando o nível de contração do próprio músculo em atividade, podendo até inibi-la completamente e diminuindo a tensão muscular.
Os interneurônios integram entradas de excitação e inibição, o que inclui entradas diretas do córtex motor (Figura 9). Isto permite que o córtex utilize circuitos reflexos como componentes para movimentos mais complexos.
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Figura 9. Receptores, vias aferentes e motoneurônios (Fonte: Autoria própria)
Até mesmo quando o músculo está em seu comprimento de repouso, os fusos musculares estão estirados o suficiente para ativar as fibras sensoriais, que enviam uma série contínua de sinais para o SNC. Esta atividade mantém certo nível de tensão, denominado tônus muscular.
O controle do tônus muscular é efetuado principalmente pelas vias descendentes mediais, capazes de regular o tônus da musculatura axial e, assim também, a postura do indivíduo. Os feixes vestibuloespinhais estão envolvidos com o controle involuntário, ou seja, reflexo, do tônus muscular. Sua função é repassar para os motoneurônios (α e fusimotores) as informações sobre a posição da cabeça coletadas pelos órgãos do equilíbrio no labirinto. Os feixes reticuloespinhais, por outro lado, estão envolvidos com o controle voluntário do tônus, através de reações antecipatórias (Lent, 2010).
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1.2
SÍNDROME DO NEURÔNIO MOTOR
SUPERIOR
O tônus muscular pode estar alterado em diversas doenças do sistema motor, como na Síndrome do Neurônio Motor Superior (SNMS), também conhecido como Sistema Piramidal.Frequentemente, há hipertonia quando os fusos musculares são estirados, como na movimentação passiva, e, através do arco reflexo, os motoneurônios. Como estes estão hiperativos, a contração reflexa é mais acentuada que em condições normais, situação na qual alguns dos tratos encefalospinais exercem ação inibitória sobre o arco reflexo. A hipertonia que ocorre nas lesões dos neurônios motores superiores é denominada hipertonia espástica ou espasticidade (Machado, 2000).
Lesões que ocorrem no sistema nervoso central resultam em sinais positivos e negativos. Os sinais negativos são responsáveis por capacidades normais do sistema, como por exemplo, a força. Sinais positivos são anormais e são explicados pela ausência de inibição do tônus muscular (Machado, 2000).
Esta Síndrome pode decorrer de lesões situadas desde o córtex até a medula espinhal. Lesões situadas em diversos pontos podem provocar, além do déficit motor, distúrbios de sensibilidade. Lesões que interrompem as vias descendentes do córtex ou do tronco encefálico produzem movimentos voluntários (sinal negativo) e, ao mesmo tempo, aumento do tônus muscular, característico do quadro clínico da espasticidade. Neste caso, reflexos de estiramento são anormalmente ativos (Nitrini e Bacheschi, 2003).
O estiramento passivo do músculo espástico encontra grande resistência inicial que cessa bruscamente. Esta redução brusca se deve à estimulação de outro tipo de receptor contido nos fusos musculares e de outros mecanoceptores que provocam a inibição reflexa dos músculos submetidos ao estiramento (Machado, 2000). Muitas vezes a lesão envolve todos os tratos, mas sem comprometê-los totalmente, havendo preservação parcial das funções motoras e sensitiva (Machado, 2000).
16
1.3
TRATAMENTO DA ESPASTICIDADE
Considerando o fato de que até o momento não há cura para a lesão medular, o tratamento da espasticidade consiste em diminuir a incapacidade do lesado medular, ressaltando-se que este deve ser integrado a um programa de reabilitação. Baseado na evolução da capacidade funcional, recursos da medicina física são aplicadas na terapêutica da espasticidade. Dentre as técnicas aplicadas, encontram-se a crioterapia, cinesioterapia, técnicas de retroalimentação, estimulação elétrica funcional, utilização de órteses e terapia ocupacional. Tratamentos medicamentosos e procedimentos cirúrgicos também contribuem para a diminuição da espasticidade (Lianza et al., 2001).
Além disto, estudos evidenciaram que, apesar de não garantir um reaprendizado para realização de caminhada sem suporte, o treino de marcha em esteira produziu efeitos cardiovasculares e musculo-esqueléticos positivos, assim como a redução da espasticidade (Hubli e Dietz, 2013).
1.4
AVALIAÇÃO DA ESPASTICIDADE
Na avaliação da espasticidade, são utilizados indicadores quantitativos e qualitativos. Estes são utilizados para identificar a intensidade e sua influência no desempenho da função, sendo úteis na indicação de intervenções terapêuticas e análise de seus resultados (Leitão et. al., 2006).
A Escala Modificada de Ashworth é a escala mais amplamente utilizada na avaliação da espasticidade. Sua aceitação deve-se a sua confiabilidade e reprodutibilidade interobservador. A movimentação passiva da extremidade é realizada avaliando o momento da amplitude articular em que surge resistência ao movimento (Leitão et. al., 2006). A escala varia conforme Tabela 1.
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Tabela 1. Escala modificada de Ashworth
0 Nenhum aumento no tônus muscular
1
Leve aumento do tônus muscular, manifestado por uma tensão momentânea ou por resistência mínima, no final da amplitude de movimento articular (ADM), quando a região
é movida em flexão ou extensão
1+ Leve aumento do tônus muscular, manifestado por tensão abrupta, seguida de resistência mínima em menos da metade da ADM restante
2 Aumento mais marcante do tônus muscular, durante a maior parte da ADM, mas a região é movida facilmente
3 Considerável aumento do tônus muscular, o movimento passivo é difícil
4 Parte afetada rígida em flexão ou extensão
A necessidade de garantir a reprodutibilidade e exatidão da avaliação da espasticidade impulsionou diversos estudos a fim de quantificar o nível de intensidade dos espasmos, independente de influência do paciente e do analisador. O método mais difundido e utilizado é o Teste Pendular, no qual o monitoramento de algumas grandezas por tecnologias disponíveis permite determinar índices quantitativos, que são em grande parte comparados com os resultados obtidos com as escalas.
1.4.1 O TESTE PENDULAR
Desenvolvido por Wartenberg, em 1951, o teste pendular consiste em um método simples para avaliação do tônus muscular do quadríceps, que analisa os efeitos causados pela espasticidade durante o balanço passivo do membro inferior, possível de ser realizado facilmente no interior de clínicas. Inicialmente a intenção era a aplicação na avaliação de rigidez parkisoniana (Wartenberg, 1951), entretanto, foi reintroduzido por Badj e Vodovnik (1984), em 1984, para avaliação da espasticidade em jovens pacientes com lesão medular e, a partir de então, tem sido modificado e aplicado na avaliação da espasticidade originária de alterações causadas pela síndrome do neurônio motor superior. O fundamento do teste pendular é baseado nos fenômenos característicos da espasticidade: aumento do
18
tônus muscular, reflexo de estiramento e a relação de aumento do tônus de acordo com o aumento da velocidade.
Assim, ele consiste em posicionar o paciente sentado sobre um apoio com as pernas suspensas livremente. O examinador deve, então, levantar a perna do membro relaxado até a posição horizontal, deixando-a cair em balanço livre. As vantagens deste método são a simplicidade, baixo custo e adequabilidade para a análise em tempo real por um computador (Bajd e Vodovnik, 1984).
Diversos métodos para captura do ângulo formado pela queda livre da perna têm sido empregados. Inicialmente, eram utilizados goniômetros mecânicos, sendo, mais tarde, substituídos pela versão eletrônica, o eletrogoniômetro, tornando-se o método mais comum atualmente. A aquisição de sinais eletromiográficos também ajudou na identificação das atividades do reflexo de estiramento (Bajd e Vodovnik, 1984; Fleuren, 2009). Feng e Mak (1997) utilizaram um sistema de vídeo para análise de movimento. Jamshidi e Smith (1996) comprovaram a confiabilidade do teste em ambos os métodos, eletrogoniômetro e vídeo. Bohannon (1987), com base em trabalhos anteriores, utilizou também um dinamômetro para o monitoramento da velocidade do movimento durante o teste pendular.
A combinação de um acelerômetro e um giroscópio foi realizada no desenvolvimento de um sistema de detecção de movimento, a fim de estimar os momentos das junções do corpo humano em análises dinâmicas (Liu et al., 2010). Dois acelerômetros foram utilizados para detecção do ângulo da articulação do joelho e, simultaneamente, a aceleração angular durante o movimento do pêndulo (Yakamoto et al., 2012).
O teste do pêndulo, utilizado para avaliação de tônus do músculo quadríceps, vem sendo endossado como uma medida prática. Os dados obtidos neste teste apresentam uma variabilidade mínima e uma precisão alta, requer mínima cooperação do paciente e, o mais importante, correlaciona-se significativamente com os achados clínicos. Esse teste tem sido utilizado para avaliação de espasticidade em pacientes portadores de hemiplegia, esclerose múltipla e lesão
19
medular e também para avaliação de eficácia de drogas antiespásticas e de treinamento muscular (Salmela et al., 2002).
Badj e Vodovnik (1984) avaliaram o sinal resultante padrão fornecido pelo uso do eletrogoniômetro, muito próximo a um sistema pendular amortecido. Desta forma, analisaram o tempo de oscilação, número de ciclos e a razão de amplitude (R1).
Figura 10. Indicadores para quantificação da espasticidade
Neste esquema mostrado na Figura 10, maior atenção foi dada ao primeiro ciclo como mais representativo em relação ao nível de espasticidade. Entretanto, foi definido um índice de relaxamento R2: razão entre a amplitude da primeira queda (A1) e a amplitude da diferença entre o ângulo inicial e o ângulo de descanso (A0). Em indivíduos normais, o indicador R2 apresenta um valor de 1,6 aproximadamente. Desta forma, foi proposto um índice normalizado, R2n, permitindo a classificação de membros não-espásticos para valores de R2n maiores que 1 e membros espásticos para valores menores que 1, representando níveis mais graves os valores mais próximos a 0.
21
2.
MATERIAIS E MÉTODOS
2.1
SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS E
ANÁLISE
Neste capítulo, são apresentados todos os componentes do sistema de aquisição, processamento e análise dos dados provenientes dos transdutores, no que diz respeito ao hardware, firmware e software.2.2
TRANSDUTORES
O teste pendular permite avaliar o tônus do quadríceps. Logo, os transdutores utilizados foram escolhidos para realizar a medição de variação do ângulo da articulação do joelho (eletrogoniômetro) e a variação de vibração do quadríceps (acelerômetro) durante o movimento de balanço característico do teste.
2.2.1 ELETROGONIÔMETRO
A mensuração de ângulos articulares ou goniometria é uma das técnicas utilizadas pela cinemetria, a qual possibilita uma avaliação da amplitude articular, descrição e compreensão dos movimentos realizados por segmentos adjacentes, proporcionando uma análise quantitativa sobre patologias e graus de desenvolvimento e controle de reabilitação da capacidade funcional (Esteves et al., 2007).
O modelo S700 Joint Angle SHAPE SENSOR (Measurand Inc., Fredericton, NB, Canadá) foi utilizado para mensurar o ângulo da articulação do joelho. Este transdutor (Figura 11) possui um grau de liberdade e consiste de dois módulos ligados por uma fibra óptica tratada em um de seus lados para que haja perda de luz proporcional a sua curvatura. Assim, o ângulo entre os dois módulos determina a quantidade de luz que trafega pela fibra.
22
Figura 11. Eletrogoniômetro Modelo Shape Sensor S700 Joint
Um dos módulos contém o circuito eletrônico que converte o sinal de luz para uma saída elétrica. Alimentado por uma tensão de 5V, o transdutor fornece uma saída linear de ±1.0 V para um intervalo de ±90o (Measurand, Inc., 2001).
2.2.2 ACELERÔMETRO
O monitoramento de vibração é um mecanismo utilizado em vários setores, como na manutenção preditiva de motores de grande porte, indicando possíveis anomalias. Considerando a característica do espasmo, observou-se que o emprego de um acelerômetro, durante o teste pendular, poderia oferecer resultados equivalentes aos sensores já utilizados em outros estudos. Uma vantagem, entretanto, se dá ao fato de garantir independência no movimento, já que não há necessidade de acoplar o acelerômetro a dois membros adjacentes, não influenciando negativamente na execução.
O modelo MMA7361L (Freescale Semiconductor, 2008) possui as características de ser um acelerômetro micro-capacitivo de baixo consumo (400µA), ser alimentado com até 3,6V e detectar a ação da aceleração em 3 eixos (Figura 12). Apresenta tamanho reduzido (24mm x 18mm x 18mm), a possibilidade de ajuste de sensibilidade e um filtro passa-baixa já integrado.
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Figura 12. Circuito com acelerômetro MMA 7361L
O dispositivo consiste de uma célula capacitiva e um circuito de condicionamento de sinal. Esta célula é uma estrutura mecânica formada por um material semicondutor, modelado como uma série de traves acopladas a uma massa central móvel entre duas traves fixas. As traves móveis podem ser defletidas de suas posições de repouso quando o sistema é submetido a uma aceleração. Conforme estas traves acopladas à massa central se movem, a distância entre elas e as traves fixas aumentam, ao mesmo tempo em que a distância até as traves fixas do outro lado diminui. Esta mudança na distância é uma medida de aceleração (Freescale Semiconductor, 2008).
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Esta disposição forma dois capacitores em contraposição. À medida que a trave central se move com a aceleração, a distância entre as traves muda e o valor de cada capacitor se altera (Figura 13).
A Figura 14 indica as saídas típicas de acordo com a posição do acelerômetro. O eixo que está sofrendo a ação da gravidade da Terra apresenta +1g de aceleração, correspondendo, aproximadamente, a 2,45V. Quando o eixo analisado não sofre ação da gravidade (0g), a tensão passa a ser 1,65V e quando o acelerômetro é posicionado contra a ação da gravidade, a saída passa a ser de -1g, correspondendo a 0,85V, aproximadamente.
Figura 14. Acelerômetro: Saída x Orientação (Adaptado de Freescale Semiconductor, 2008)
Sinais de vibração são, em grande parte, compostos por inúmeras frequências que ocorrem simultaneamente. A amplitude da vibração pode ser obtida de várias
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formas: nível de pico a pico, nível de pico e valor quadrático médio (RMS). Como o valor RMS indica a energia média contida no movimento de vibração, este foi um dos indicadores escolhidos para quantificar o nível de espasticidade. A equação 1 indica a fórmula para cálculo do valor de RMS.
N x ... x x x 2 N 2 2 2 1 RMS (1)
onde xRMS é o valor efetivo do vetor analisado, x1...xn são os valores que compõem o vetor e N corresponde ao tamanho do vetor.
A integral de envoltório do sinal também é uma forma de se obter uma medida da área de um sinal, considerando seus extremos. O cálculo é realizado por meio da diferença resultante entre a integral abaixo da curva de picos e a integral abaixo da curva de vales. Na Figura 15, pode-se visualizar a área delimitada pela envoltória.
26
2.3
DISPOSITIVO PARA AQUISIÇÃO DE
DADOS
O hardware foi construído baseado na aquisição de sinais dos transdutores por meio de um microcontrolador, responsável também pela conversão analógica/digital, assim como pela transmissão dos dados até um microcomputador pelo barramento USB.Figura 16. Diagrama do sistema global. O sistema analógico é obtido a partir dos transdutores, convertido para sinal digital pelo microcontrolador e enviado ao software
27
O responsável pela aquisição, processamento e envio dos dados é um microcontrolador PIC18F4550 (Microchip Technology, Inc., Chandler, AZ, USA). A escolha do microcontrolador foi feita de forma que ele atendesse ao número de entradas analógicas necessárias e que possuísse já integrada a comunicação USB (Universal Serial Bus). Desta forma, não é necessária alimentação externa por bateria, já que a saída USB do computador é capaz de fornecer 5V (até 500mA), suficientes para o funcionamento do sistema. As vantagens deste tipo de comunicação se resumem em maior velocidade de transmissão, facilidade de instalação e capacidade de fornecer potência para alimentação de dispositivos. Componentes periféricos são necessários para o funcionamento do microcontrolador, como reguladores de tensão, capacitores e um cristal. Indicadores de funcionamento foram adicionados para permitir ao usuário identificar se o sistema está alimentado e pronto para funcionamento. No circuito da Figura 17, é mostrada a relação entre os componentes.
A comunicação USB se baseia em quatro fios: dois responsáveis pela alimentação e dois para transmissão de dados. Nas extremidades do cabo de comunicação, o conector que se liga ao dispositivo é do Tipo B – envio de energia, e a extremidade que se liga ao computador, do Tipo A – transmissão de dados e energia.
Com base no diagrama do circuito elétrico da Figura 17, foi gerado o desenho da placa de circuito impresso, conforme Figura 18. A placa final pode ser vista na Figura 19.
A placa montada com os devidos componentes é mostrada na Figura 20. Na Figura 21, a placa já está alocada em uma caixa própria, na qual foram encaixados os conectores para os transdutores e para a comunicação USB. Os leds indicam que o equipamento está alimentado (verde) e pronto para funcionamento (vermelho).
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29
Figura 18. Esquema da placa de circuito impresso
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Figura 20. Placa final montada
31
As Figura 22 e Figura 23 mostram a diferença entre um protótipo inicial - com comunicação serial, placa universal e bateria - e a nova versão aperfeiçoada – com comunicação USB, placa de circuito impresso e sem bateria .
Figura 22. Protótipo anterior - comunicação serial, placa universal e bateria de alimentação
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Figura 23. Nova versão do sistema - comunicação USB, placa de circuito impresso, alimentação realizada pelo próprio USB
2.4
INTERFACE HUMANA
Um software foi desenvolvido para a aquisição dos dados, tratamento, visualização e armazenamento no banco de dados. Um módulo para análise posterior dos dados e cálculo de indicadores definidos também está disponível para o usuário final. O desenvolvimento destas interfaces foram realizadas por meio da plataforma LabVIEW (National Instruments, Austin, TX, USA).
2.4.1.1
IDENTIFICAÇÃO DO DISPOSITIVO
Um requisito para o correto funcionamento entre o dispositivo e a interface é a geração e instalação de um driver para que o computador faça o reconhecimento automático e inicie a comunicação USB. O driver é gerado por meio de uma ferramenta que é disponibilizada pela própria plataforma. Estando o dispositivo
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ligado ao computador, ele identifica suas características (Figura 24) e gera um arquivo de extensão “inf”.
Este arquivo contém as informações de Vendor ID, Product ID, Manufacturer Name e Model Name, permitindo ao computador identificar o equipamento quando este é ligado a uma de suas portas USB. Estas informações já foram anteriormente programadas e gravadas no microcontrolador.
Na primeira vez que o dispositivo for conectado ao computador, será pedido um driver para instalação. Basta selecioná-lo e a partir de então o dispositivo sempre será reconhecido.
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2.4.1.2
AQUISIÇÃO, VISUALIZAÇÃO E
ARMAZENAMENTO
Uma interface amigável foi desenvolvida para permitir o uso de forma simples e correta. Além disto, o usuário pode armazenar as coletas realizadas, de forma organizada e possível de ser consultada posteriormente, pelo software de análise.
Figura 25. Tela para seleção de usuário
O acesso ao sistema é restrito, o que garante que cada avaliador possa gerenciar seu banco de dados de forma independente. A tela inicial fornece as opções para
login e alteração/cadastro de usuários (Figura 25). O menu superior oferece as
opções de calibração, teste e consulta.
Inicialmente, é necessário realizar a calibração do eletrogoniômetro para que cada avaliador possa utilizar seu método de referência, de acordo com o posicionamento
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do eletrogoniômetro na perna do paciente. Para isso, deve-se pressionar o botão CALIBRAR disposto no menu superior. A tela da Figura 26 irá aparecer.
Figura 26. Tela para calibração do eletrogoniômetro
Como a resposta deste transdutor é linear, é possível transformar as informações provenientes do microcontrolador, que correspondem à transformação analógica/digital dos dados de tensão, em medidas de ângulo. De forma simples, basta o avaliador identificar a porta em que o dispositivo está conectado, posicionar a perna no ângulo desejado e digitar o valor de ângulo que será estabelecido. Dois pontos são necessários para elaborar a equação da reta de calibração. Entretanto, para que haja menor erro, é recomendada a aquisição de no mínimo três pontos, preferencialmente contendo os valores inicial, final e intermediário.
O próximo passo é a realização do teste pendular, ao clicar no botão “Teste” no menu superior. Em seguida, o sistema oferecerá as portas disponíveis para
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conexão. Caso a porta desejada não apareça na lista, é necessário clicar no botão “Atualizar Portas” para atualização.
Figura 27. Tela para conexão do dispositivo
Para relacionar o teste a um determinado paciente, é necessário criar um novo cadastro ou selecionar dentre os já cadastrados.
Figura 28. Tela para relacionar o teste a um determinado paciente
Após a seleção do paciente, uma tela, conforme a Figura 29, fornecerá as opções para o teste. Pode-se, então, definir a frequência com que o computador irá obter os dados do microcontrolador, sendo a frequência máxima de 110Hz.
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Figura 29. Tela para visualização em tempo real dos dados obtidos
Figura 30. Seleção do tipo de gráfico
Pressionando o botão “Iniciar”, aparecerá uma tela para escolha do tipo de gráfico. A opção “Fixo”, mantém o eixo x fixo, independente do tempo de aquisição. A opção “Dinâmico” desloca o eixo x, mantendo melhor visibilidade do valor atual.
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Estabelecendo-se a comunicação com sucesso, os dados correspondentes ao eletrogoniômetro e os três eixos do acelerômetro, serão dispostos em suas respectivas áreas.
Para encerrar o teste, o usuário deve pressionar o botão “Parar”. É importante ressaltar que os dados só serão salvos, pressionando o botão “Salvar”. Neste caso, o sistema pedirá para que o usuário identifique qual perna está sendo analisada (direita ou esquerda). Caso os dados não estejam corretos, ou seja necessária a realização de nova coleta, basta clicar em “Iniciar” novamente.
39
As coletas de dados que foram salvas estão disponíveis, quando pressionado o botão “Consultar”. Como mostrado na Figura 31, ao clicar duas vezes sobre a opção desejada na lista de pacientes cadastrados, aparecerão as datas das coletas realizadas. A partir da seleção da data, ficarão disponíveis os horários das coletas, bem como as opções relacionadas à perna.
Os dados armazenados serão dispostos conforme Figura 32. Ao clicar com o botão direito sobre os gráficos, o usuário tem a opção de abrir a planilha contendo os dados ou salvar em um arquivo de texto, para manipulação personalizada destes dados (Figura 33 e Figura 34).
40
Figura 33. Opções para visualização da tabela de dados
Figura 34. Janela para exportar tabela de dados em arquivo texto
2.4.1.3
ANÁLISE
O sistema desenvolvido para análise relaciona visualmente os sinais armazenados pelo sistema de aquisição e permite gerar indicadores de acordo com o transdutor analisado.
Para isto, na tela inicial, o usuário deve selecionar o caminho da pasta em que os dados do teste foram armazenados (Figura 35). A partir desta seleção, o sistema carrega a lista de pacientes cadastrados e permite que o usuário selecione um item para prosseguir com a análise.
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Figura 35. Tela inicial do sistema de análise
A diferenciação entre os testes é feita pelos critérios: perna, data e horário. Assim, é possível identificar grupos de arquivos, em caso de mais de uma repetição por teste. Para isto, durante a seleção, é necessário manter a tecla CTRL pressionada. A organização dos resultados depende da escolha destes dados, bem como da escolha do momento do teste em relação ao tratamento realizado, por meio do botão disponível com as opções PRÉ e PÓS. Em caso de uma nova análise, os dados armazenados devem ser apagados por meio do botão “Limpar Análise”.
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Uma pré-visualização do sinal é oferecida ao usuário, por meio de um duplo clique sobre o item selecionado. Também são permitidas alterações nas configurações do filtro para o sinal do acelerômetro.
A partir da seleção feita, o sistema segue uma rotina de tratamento do sinal para o cálculo dos indicadores desejados. Pelo fato de o sinal possuir inúmeras oscilações desprezíveis, o sinal é tratado ponto a ponto, conforme as etapas mostradas na Figura 36.
Eletrogoniômetro Acelerômetro
Figura 36. Diagrama de tratamento dos sinais Suavização de Sinal
Preenchimento de pontos (Δt=0,005s)
Identificação de ponto de início
Identificação de picos, vales e ponto de término
Determinação de A1, A0, R1, R2, R2n e Integral de envoltória do
sinal
Preenchimento de Pontos (Δt=0,01s)
Identificação do ponto de início e término
Filtragem
Identificação de Picos e Vales
Determinação de Integral de envoltória e valor RMS para os eixos
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ELETROGONIÔMETRO
Suavização do Sinal: consiste em atenuar as oscilações de amplitude
insignificante, compreendendo as seguintes etapas: Execução de média móvel, com N=5;
Atribuição de sentido - pontos adjacentes (crescente(1)/ decrescente(-1)/ patamar(0));
Preparação para identificação de picos e vales: exclusão de pontos que não atendam à condição de no mínimo três pontos anteriores ao atual seguirem uma tendência (1, -1 ou 0).
Figura 37. Suavização do sinal (eletrogoniômetro)
Preenchimento de pontos: como compensação pelos pontos excluídos na fase
anterior, são adicionados novos pontos para preenchimento do sinal (Figura 38). Para isto, a cada par, é considerada a diferença entre ponto final e inicial e, de acordo com o intervalo definido, neste caso, 0,005s, são realizados os cálculos das respectivas médias e são inseridos novos pontos ao sinal original.
44
Figura 38. Preenchimento de pontos (eletrogoniômetro)
Identificação do ponto de início: é realizado o cálculo do coeficiente angular a
cada par de pontos até o momento em que este valor supera o definido. Neste caso, considera-se ponto de início a partir do ponto em que o coeficiente angular se torna maior que 50 (Figura 39).
45
Identificação de picos, vales e ponto de término: a partir do sinal já preparado
nas etapas anteriores, é possível identificar os pontos extremos do sinal por meio das seguintes etapas:
Identificação de patamares, ou seja, diferença entre pontos adjacentes nula. Em caso positivo, os pontos identificados de mesmo valor são agrupados e substituídos por um único ponto (Figura 40);
Realização de preenchimento de pontos, de acordo com o intervalo de 0,005s (Figura 40);
Figura 40. Exclusão de patamares do sinal (eletrogoniômetro)
Definição de sentido dos pontos (crescente(1) e decrescente (-1)). Neste momento, não existirão mais patamares (0).
Verificação de mudança de sentido, ponto a ponto. Assim que ocorrer inversão de sinal, são verificados os N pontos posteriores e anteriores, neste caso N=5, para comprovação de que o sentido se mantém invertido, sinalizando assim este ponto como um extremo.
Considerando o ponto identificado, verifica-se se o ponto anterior possui sentido igual a 1 e os seguintes igual a -1, concluindo-se assim que este ponto representa um pico. Caso contrário, será considerado um vale (Figura 41).
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Figura 41. Identificação de extremos (eletrogoniômetro)
Diferenças entre picos e vales menores que 2,5 são desprezados, a fim de desconsiderar pequenos tremores. Desta forma, encontra-se o ponto de término, ou ângulo de descanso (Figura 42).
Figura 42. Identificação de picos, vales e ponto de término (eletrogoniômetro)
Para a determinação da integral de envoltória, considera-se no início e final do sinal um ponto de mesmo valor no eixo X, para os sinais de picos e vales (Figura 43).
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Figura 43. Definição de faixa para cálculo de integral de envoltória (eletrogoniômetro)
ACELERÔMETRO
Preenchimento de pontos: assim como realizado no eletrogoniômetro, são
adicionados novos pontos para preenchimento do sinal (Figura 44). Neste caso, é definido o intervalo como 0,01s, e são inseridos novos pontos ao sinal original.
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Identificação do ponto de início e término: inicialmente é realizada a média móvel
do sinal, com N=5, para redução de oscilações desprezíveis (Figura 45).
Figura 45. Método de média móvel aplicado ao sinal (acelerômetro)
Em seguida, é realizada uma média dos 100 pontos iniciais para se definir um ponto de referência.
Figura 46. Identificação do ponto de início e término (acelerômetro)
Percorre-se todos os pontos realizando a diferença em relação à média calculada e define-se como ponto de início, o ponto cuja diferença for maior que 5 (yn-y0). É
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possível ver pela Figura 46 que o ponto se aproxima consideravelmente ao início determinado por meio do sinal do eletrogoniômetro. A partir deste ponto, são selecionados para análise os próximos 500 pontos (5 segundos) do sinal.
Filtragem: a faixa selecionada passa por um filtro passa-faixa Butterworth de ordem
4, com frequências de corte de 3Hz a 5Hz (Figura 47).
Figura 47. Filtragem do sinal (acelerômetro)
Identificação de picos e vales: a partir do sinal já preparado nas etapas anteriores,
o sinal passa pelo processo descrito anteriormente para detecção de picos e vales, necessários para o cálculo da integral de envoltória (Figura 48).
50
Figura 48. Identificação de picos e vales (acelerômetro)
Os sinais tratados são então mostrados para o usuário, conforme Figura 49. Um menu lateral oferece a possibilidade de habilitar/desabilitar legenda e paleta dos gráficos, o que permite manusear, aumentar/diminuir o zoom e percorrer o sinal com o cursor, caso habilitado por meio do botão disponível. A funcionalidade de adicionar ou remover pontos (picos e vales) do sinal permite a correção dos pontos definidos, caso o sistema tenha realizado as identificações de forma errônea. Também está disponível a opção de visualização e modificação dos parâmetros para cálculo dos picos, como número de pontos adjacentes, coeficiente angular e amplitude mínima. Os indicadores resultantes do sinal em questão podem ser consultados ao se pressionar o botão inferior localizado no menu lateral.
Após a realização das modificações necessárias nos sinais, ao se clicar no botão lateral direito, é carregado o próximo teste (em caso de mais de uma seleção). Ao término da análise dos sinais de um grupo “pré”, é necessário retornar à tela de pacientes para carregar os arquivos do momento “pós”.
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Figura 49. Tela de visualização e ajuste dos sinais
O resumo dos indicadores calculados é indicado na tela final, conforme Figura 50. Nela, podem-se avaliar os resultados por teste e o resultado médio final de cada momento. Um gráfico de barras permite a comparação entre os momentos e apresenta o valor numérico da razão entre valores “pós” e “pré”. Com relação ao eletrogoniômetro, as colunas destacadas em verde e laranja correspondem aos indicadores calculados por meio de dados da curva. Já os destacados em verde e rosa, correspondem aos parâmetros calculados por meio do resultado destes indicadores.
O usuário tem a opção de exportar estes dados para um arquivo texto, ao clicar no botão localizado a direita, logo acima dos gráficos de barra. Desta forma, pode-se realizar uma análise mais complexa na comparação de vários pacientes.
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Figura 50. Tela resumo de indicadores
2.5
PROTOCOLO EXPERIMENTAL
Os testes clínicos foram realizados no Laboratório de Biomecânica e Reabilitação do Aparelho Locomotor – LABRAL (UNICAMP), local onde já são realizados procedimentos similares ao teste pendular e metodologias para garantir o bem estar dos pacientes lesados medulares, bem como recuperar movimento e sensibilidade. Um dos métodos de reabilitação consiste no treinamento de marcha realizado em conjunto com a aplicação de Estimulação Elétrica Neuromuscular (EENM) (Azevedo, 2011). Um dos benefícios é a diminuição da espasticidade, melhorando a condição de vida do paciente.
