BIOMECANICA LOCOMOTIEI UMANE

TERMINOLOGIA DESCRIERII LOCOMOTIEI UMANE

Protezarea si ortezarea au evoluat de-a lungul anilor transformindu-se dintr-un mestesug intr-o profesie. Protezarea este in prezent definita ca stiinta ce are ca obiect de studiu inlocuirea externa a membrelor iar ortezarea stiinta ce urmareste sustinerea externa a membrelor si trunchiului. Stadiul actual al tehnicii si tehnologiei, la care se adauga experienta acumulata de-a lungul anilor, au facut posibila producerea unor dispozitive din ce in ce mai perfectionate. Aceasta dezvoltare a fost sustinuta si de evolutia in paralel din domeniul tehnicilor de evaluare.

Tehnologiile computerizate si video, sub forma sistemelor de analiza a miscarii, sunt folosite intens in evaluarea complexelor configuratii de mers, ele furnizind direct pretioase informatii cu privire la miscarea articulatiilor, activitatea musculara precum si producerea fortelor. Cuantificarea obiectiva a configuratiei de mers permite specialistilor din protezare si ortezare sa evalueze atit performantele dispozitivelor proiectate cit si beneficiile pe care acestea le aduc pacientilor.

Desi mersul, atit cel normal cit si cel patologic, este unul cele mai studiate miscari umane, termenii utilizati pentru descrierea lui variaza de la cercetator la cercetator si de la profesie la profesie. Desi s-au depus eforturi in directia stabilirii unui set unificat de termeni biomecanici pina in prezent nu s-a cazut de acord asupra unei definiri unice. Acest lucru se datoreaza si faptului ca specialistii folosesc termeni biomecanici specifici profesiei lor.

In continuare vor fi prezentati comparativ si prin contrast termenii utilizati in prezent in protezare si ortezare in raport cu cei utilizati in domeniul analizei miscarii.

In ansamblu, domeniile protezarii si ortezarii folosesc, pentru descrierea miscarii, un set de termeni standard care sunt unificati in cadrul profesiei. In domeniul analizei miscarii lucrurile nu stau insa asa. Termenii biomecanici utilizati in analiza miscarii sunt influentati in principali de cercetarile efectuate de trei specialisti: Perry, Sutherland si Winter, care au adus o contributie deosebita dezvoltarii domeniului analizei miscarii ca stiinta si profesie.

Exista, in principiu, citiva termeni care sunt, in mod obisnuit, utilizati in descrierea mersului si care sunt unificati de la profesie la profesie.

Un ciclu de mers este definit ca miscarile si evenimentele care au loc intre contacte succesive ale calciiului aceluiasi picior cu solul. El contine doua faze :

pasirea - stance phase;

pendularea sau balansul - swing phase.

Perioadele si evenimente ce au loc in interiorul ciclului de mers variaza de la individ la individ. O perioada este definita ca fiind "intervalul de timp ce este initiat sau contine un eveniment semnificativ".

Specialistii in domeniul protezarii si ortezarii descriu trei perioade pentru faza de pasire (fig.1), acestea fiind :

heel-strike;

mid-stance;

push-off.

Aceste trei perioade sunt utilizate datorita importantei lor pentru specialistii din domeniul protezarii si ortezarii in momentul evaluarii configuratiei de mers.

Fig.1

Heel-strike este definit ca intervalul de timp de la atacul cu calciiul pina la atingerea solului cu toata talpa ( foot-flat). In timpul acesta (fig.2) vectorul forta este posterior gleznei si genunchiului si anterior soldului. Piciorul incepe in acest moment sa cistige in stabilitate.

Fig.2

Mid-stance este definit ca intervalul de timp dintre contactul pe sol cu toata talpa (foot-flat) pina la desprinderea calciiului de pe sol (heel-off). In aceasta perioada, vectorul forta se misca anterior gleznei si posterior genunchiului si soldului, si ar trebui sa furnizeze stabilitate optima in dispozitiv (in proteza).

Push-off reprezinta perioada finala in care are loc propulsia inainte a corpului. Ea se produce intre momentul de desprindere a calciiului ( heel-off) si cel de desprindere a degetelor ( toe-off) de pe sol. In acest interval de timp vectorul forta este in fata gleznei si se misca dinspre anterior spre posterior fata de genunchi. Dispozitivul isi reduce gradat din stabilitate permitind degetelor sa se desprinda pentru toe-off.

Faza de pendulare contine doua perioade de accelerare si decelerare. Perioada de accelerare este timpul in care membrul inferior se misca spre inainte, spre a mari lungimea pasului, iar perioada de decelerare corespunde timpului in care membrul este incetinit in jos spre a realiza contactul cu calciiul.

Dr. Jacqueline Perry descrie cinci perioade de sprijin si trei perioade de pendulare (fig.3).

Fazele de sprijin sunt dupa cum urmeaza: contactul initial, raspunsul la incarcare, sprijinul mijlociu ( mid-stance),sprijinul final, pre-pendularea.

Fig.4

Perioadele fazei de pendulare sunt urmatoarele: pendulare initiala, pendulare mijlocie (intermediara), pendulare finala.

Contactul initial este definit ca momentul cind piciorul atinge solul. Raspunsul la incarcare este reactia membrului de a absorbi impactul.

Perioada de suport unipodal in care corpul se deplaseaza spre in fata peste un picior stationar este sprijinul mijlociu sau mid-stance.

Sprijinul final este perioada din ciclul de mers in care corpul se misca in fata piciorului de sprijin iar greutatea incepe sa coboare pe membrul opus. Faza de sprijin final al pre-pendularii este perioada de tranzitie a sprijinului dublu in care membrul este descarcat rapid pregatindu-se sa penduleze.

Pendularea initiala este momentul in care membrul este ridicat de pe sol si are loc o avansare initiala a coapsei spre a realiza ridicarea degetelor si a-si asuma propulsia inainte. In timpul sprijinului mijlociu membrul este avansat mai mult in scopul atingerii pozitiei tibiale verticale. Avansarea tibiala continuata catre flexie totala a genunchiului, decelerarea coapsei si mentinerea pozitiei piciorului sunt incluse in pendularea finala. Aceasta completeaza intregul ciclu de la contactul initial la pendularea terminala.

Aceste perioade sunt utilizate de dr. Perry drept termeni reprezentativi pentru evenimentele ce au loc in punctele specifice ale ciclului de mers.

Sutherland descrie trei perioade de sprijin care sunt deosebit de utile in evaluarea clinica a mersului (fig.4): suportul initial dublu, sprijinul unipodal, si al doilea sprijin dublu, combinat spre a completa faza de sprijin.

Fig.5

Suportul dublu este perioada de timp din mers cind ambele picioare sunt in contact cu solul. Acest lucru are loc in timpul unui ciclu normal. Sprijinul unipodal este momentul in care doar un membru este in contact cu solul. Restul perioadelor care completeaza faza de pendulare a ciclului de mers sunt cele descrise anterior de Perry.

Winter a propus pentru descrierea ciclului de mers trei perioade de sprijin (fig.6), repectiv perioada de acceptare a greutatii (weight acceptance), perioada de sprijin mijlociu (midstance) si perioada de propulsie (push-off), si doua perioade de pendulare constind in perioada de ridicare (lift-off period) si perioada de atingere ( reach period).

Fig.6

Perioada de acceptare a greutatii este timpul cuprins intre contactul initial si flexia maxima a genunchiului piciorului pe care se realizeaza sprijinul. Perioada dintre acceptarea greutatii si propulsie este definita ca sprijin mijlociu. Propulsia (push-off) este perioada finala a sprijinului cind membrul inferior impinge in sol si are loc flexia plantara a gleznei. Perioada de propulsie are loc imediat dupa desprinderea calciiului (heel-off) si sfirseste cu desprinderea degetelor (toe-off). Dupa toe-off au loc cele doua faze ale perioadei de pendulare. Ridicarea (lift-off) este perioada pendularii timpurii cind au loc desprinderea degetelor (toe-off) si pendularea mijlocie (mid-swing). Perioada de atingere (reach period) completeaza ciclul de mers.

Ciclul de mers poate fi descris ca fiind constituit fie din faze fie din evenimente (momente).

Definitiile privind evenimentele importante ce au loc intr-un ciclu de mers au un grad mare de acceptare din parte celor implicati in studiul miscarii. Prezentarea evenimentelor din cadrul unui ciclu de mers se face, in mod obisnuit, in doua moduri alternative. Specialistii din domeniul protezarii si ortezarii definesc acele evenimente ale mersului care prezinta importanta pentru determinarea alinierii corecte a produselor pe care le furnizeaza (proteze sau orteze). Aceleasi evenimente sint utilizate de Winter pentru descrierea mersului (fig.7).

Fig.7

Contactul cu calciiul ( heel contact or heel strike) este primul eveniment din ciclul de mers. Piciorul plat (flat foot), despinderea calciiului (heel-off), si desprinderea degetelor (toe-off) urmeaza dupa evenimentul initial. Contactul initial este momentul in care calciiului face contact cu solul. Acest eveniment este urmat de momentul spijinului pe sol cu toata talpa (flat foot). In timpul sprijinului, exista un moment in care calciiul paraseste solul, el fiind denumit "heel-off". Evenimentul final din faza de sprijin este denumit "toe-off", el fiind momentul in care degetele parasesc solul pregatindu-se de pendulare. In faza de pendulare exista un moment critic denumit "mid-swing", care se produce in mijlocul intervalului de timp dintre desprinderea degetelor de pe sol (toe-off) si contactul initial.

Un set alternativ de evenimente utilizate in mod obisnuit in evaluarea clinica a mesului este cel prezentat in fig.8.

In cadrul peroadei de sprijin sunt incluse in acest caz urmatoarele evenimente: contactul cu piciorul ( foot-strike), desprinderea degetelor piciorului opus (opposite toe-off), inversare fortei tangentiale ( reversal of fore-aft shear), contatul cu piciorul opus ( opposite foot strike) si desprinderea piciorului opus si desprinderea degetelor. Momentul de "foot strike" este momentul in care are loc contactul cu piciorul. Acest eveniment se produce la ambele picioare in timpul unui ciclu de mers. "Toe-off" este momentul desprinderii degetelor de pe sol, el avind loc de asemenea bilateral in ciclul de mers. "Reversal of fore-aft shear" este punctul din timpul sprijinului unipodal in care forta tangentiala, asa cum este ea masurata cu platformele de forta, isi inverseaza sensul dinspre spate spre fata pregatind contactul cu calciiul opus. Faza de pendulare, asa cum este ea descrisa de Sutherland, nu prezinta evenimente semnificative de definit.

Fig.8

Cele prezentate mai sus prezinta sintetic toate perioadele si evenimentele importante care sunt in mod obisnuit utilizate in desrierea atit a mersului normal cit si a celui patologic. Eventualele descrieri oarecum diferite sunt in general justificate prin semnificatia lor pentru o situatie particulara.

2. VARIABILE KINEMATICE

In compararea mersului normal cu cel patologic sunt utilizate o serie de variabile kinematice precum viteza, lungimea pasului dublu (stride lengh), lungimea unui pas simplu (step lengh) si cadenta. Definitiile utilizate pentru acesti parametrii apar a fi acceptate in mod unanim de specialistii diferitelor profesii ce au ca obiect de studiu mersul.

Viteza este definita ca fiind distanta medie (in metrii) parcura intr-o secunda.

Lungimea pasului simplu( step length) este considerata ca fiind distanta acoperita de acelasi punct de pe picior din momentul contactului initial pina la contactul initial ipsilateral.

Lungimea unui pas dublu (stride length) contine doi pasi simplii, ea putind fi definita ca fiind distanta masurata de la un punct de pe picior pina la acelasi punct de pe celalalt picior.

Cadenta este numarul de pasi simplii pe minut.

In domeniul protezarii si ortezarii, aflat in plina evolutie, atit din punct de vedere al materialelor utilizate cit si al proiectarii de dispozitive din ce in ce mai performante, a aprut necesitatea evaluarii din punct de vedere kinetic a dispozitivelor utilizate. Pentru evaluarea cantitativa, precisa, a actiunilor interne ale acestor dispozitive se realizeaza masuratori ale momentelor, puterii si energiei.

Momentul biomecanic al unei fortei este definit ca fiind rezultatul net al tuturor fortelor musculare , ligamentare si functionale ce actioneaza in sensul modificarii miscarii unghiulare a corpului. In timpul evaluarii mersului normal, unghiurile asumate de catre articulatii nu ating valori extreme, ceea ce minimizeaza fortele de frecare. Astfel, marimea neta poate fi interpretata drept forta musculara ce actioneaza asupra corpului. Exista totusi o mare discrepanta intre modul in care conventia, privind momentele, este utilizata de specialistii din protezare si ortezare si cei din domeniul biomecanicii.

Fig.9 Fig.10

In domeniul protezarii si ortezarii momentul este definit ca fiind miscarea ce are loc ca rezultat al pozitiei unui vector de forta. De exemplu, in timpul sprijinului mijlociu, vectorul forta trece anterior de glezna si posterior de genunchi si sold. Pe baza definitiei de mai sus, specialistii din domeniul protezarii si ortezarii, ar considera ca la nivelul gleznei se produce un moment de dorsiflexie, unul de flexie la genunchi si unul de extensie la sold (fig.9). Aceasta conventie in definirea momentului vine in contradictie cu definitia momentului biomecanic care reflecta activitatea neta musculara ce are loc in acel moment de timp.

Din punct de vedere biomecanic, cind vectorul forta trece anterior de glezna si posterior de genunchi si sold, el faciliteaza dorsiflexia gleznei, flexia genunchiului si extensia soldului. In scopul prevenirii aparitiei unui exces in miscarile oricareia dintre articulatii, cind vectorul forta trece posterior de genunchi, determinind flexia acestuia, cvadricepsii sau extensorii genunchiului incep sa se activeze, creind un moment de extensie la genunchi (fig.10). In consecinta momentele reflecta activitatea musculara care are loc intr-un anumit moment de timp.

Conventia privind momentele nu este singura care conduce la confuzii intre specialisti. Un alt subiect de controverse in privita momentelor il constituie modul lor de calculare. Multi cercetatori, inclusiv din domeniul protezarii si ortezarii, calculeaza momentul ca produs intre forta si distanta perpendiculara pe suportul fortei. Acest mod de calcul conduce la obtinerea unor valori extrem de mari, nerealiste, in evaluarea activitatii musculare. Momentul net poate fi calculat mult mai precis prin utilizarea solutiei dinamice inverse pentru un model cu segmente articulate, descrise de Bresler &Frankel si de asemenea de Winter.Wells a prezentat comparativ valorile obtinute pentru momente prin cele doua tehnici. La nivelul gleznei valorile au fost aproape similare, indiferent de metoda utilizata, in timp ce la genunchi metoda produsului dintre forta si distanta a dat valori mai mari decit cea a dinamicii inverse.

Metoda dinamicii inverse, aplicata in calculul momentelor, permite stabilirea unor relatii precise intre activitatea musculara, energie si momente. In scopul determinarii grupei musculare dominante, dintr-o anumita faza a mersului, este necesara intelegerea conventiilor biomecanice utilizate in determinarea momentelor, aceasta fiind impusa de contradictia ce apare in raport cu conventia utilizata de specialistii din domeniul protezarii si ortezarii (fig.11).

Fig.11

Figura 11 prezinta conventia standard privind momentul unei forte. Momentele avind sens antiorar, calculate la capetele proximale ale fiecarui segment, sunt considerate pozitive, in timp ce momentele avind sensul in sensul acelor de ceas sunt considerate negative. In consecinta un moment de extensie a genunchiului va fi pozitiv, in timp ce momente de flexie plantara a gleznei sau de extensie a soldului vor fi negative. Determinarea acestui moment de forta la nivelul fiecarei articulatii furnizeaza un indicator al efectului net al tuturor fortelor interne, fiind incluse aici muschii, ligamentele si frecarea. Spre deosebire de momentele de la genunchi si sold, momentele la glezna prezinta valori aproape constante de la individ la individ. Variatiile ce apar la nivelul genunchiului si soldului pot fi explicate prin cresterea numarului de segmente articulate fata de punctul de aplicatie al fortei. Pe masura ce acest numar creste, cresc si posibilitatile de ajustare pe care individul le poate adopta, atit la sold cit si la genunchi, spre a reactiona la miscarile de flexie sau extensie.

Utilitatea calcularii momentelor poate fi evidentiata prin observarea cresterii gradate a momentului flexor plantar pe toata durata fazei de sprijin, ceea ce indica rolul semnificativ al flexorilor plantari in timpul mersului. Pentru specialistul din domeniul protezarii acest lucru i-ar permite sa determine daca dispozitivul de protezare simuleaza activitatea muschiului gastrocnemius prin momentele pe care componentele protezei (coapsa, gamba si picior) le dezvolta. In general, prin calcularea momentelor in jurul fiecarei articulatii se poate evidentia daca proteza sau orteza simuleaza sau nu activitatea musculara pe care o inlocuieste.

Un alt parametru biomecanic, util si pentru specialistii din domeniul protezarii si ortezarii, il constituie puterea. Producatorii de proteze de membru inferior sustin, in ultimele lor cercetari, ca sistemele proiectate "absorb si genereaza energie". Winter sustine in cercetarile sale ca singura modalitate de determinare a grupelor musculare care absorb energie si a celor ce genereaza energie este cea a analizei mecanice a puterilor.Calularea puterii se face prin multiplicarea momentului cu viteza unghiulara, deci :

Un rezultat pozitiv pentru putere indica o contractie concentrica, in timp ce o valoare negativa indica o contractie excentrica. Cind puterea rezultata este negativa, muschii absorb energie iar cind este pozitiva muschii genereaza energie.

Pentru specialistul din protezare acest parametru biomecanic va permite stabilirea dispozitivului care furnizeaza o combinatie optima in ceea ce priveste inmagazinarea si eliberarea de energie. Determinarea puterii unui dispozitiv de protezare este utila si in aceea ca permite stabilirea gradului de corectitudine in functionarea sa.

Conceptele utilizate in domeniul biomecanicii se pot constitui drept instrumente de lucru deosebit de utile pentru domeniul protezarii si ortezarii, specialistii din acest domeniu putind realiza cu ajutorul acestora evaluarea functionarii si comportarii corecte a dispozitivelor proiectate astfel incit acestea sa corespunda cu necesitatile individuale ale celor ce le utilizeaza. Comunicarea rezultatelor obtinute impune, insa, o buna intelegere a diferentelor privind terminologia utilizata, atit in domeniul biomecanicii cit si cel al protezarii si ortezarii.