Análise de marcha - Gait analysis

"Análise de marcha" redireciona aqui. Para o livro de Jacquelin Perry e Judith M. Burnfield, consulte Gait Analysis: Normal and Pathological Function .
Laboratório de análise de marcha equipado com câmeras infravermelhas e plataformas de força montadas no solo

A análise da marcha é o estudo sistemático da locomoção animal , mais especificamente o estudo do movimento humano, usando o olho e o cérebro dos observadores, complementado por instrumentos para medir os movimentos corporais , a mecânica corporal e a atividade dos músculos. A análise da marcha é usada para avaliar e tratar indivíduos com condições que afetam sua capacidade de andar. Também é comumente usado na biomecânica esportiva para ajudar os atletas a correr com mais eficiência e para identificar problemas relacionados à postura ou ao movimento em pessoas com lesões.

O estudo abrange quantificação (introdução e análise de parâmetros mensuráveis ​​de marcha ), bem como interpretação, ou seja, tirar várias conclusões sobre o animal (saúde, idade, tamanho, peso, velocidade etc.) a partir de seu padrão de marcha.

História

Os pioneiros da análise científica da marcha foram Aristóteles em De Motu Animalium (Na marcha dos animais) e, muito mais tarde, em 1680, Giovanni Alfonso Borelli, também denominado De Motu Animalium (I e II) . Na década de 1890, o anatomista alemão Christian Wilhelm Braune e Otto Fischer publicaram uma série de artigos sobre a biomecânica da marcha humana em condições de carga e descarga.

Com o desenvolvimento da fotografia e da cinematografia, tornou-se possível capturar sequências de imagens que revelam detalhes da locomoção humana e animal que não eram perceptíveis ao se observar o movimento a olho nu. Eadweard Muybridge e Étienne-Jules Marey foram os pioneiros desses desenvolvimentos no início do século XX. Por exemplo, a fotografia em série revelou pela primeira vez a sequência detalhada do cavalo " galope ", que geralmente era deturpada em pinturas feitas antes dessa descoberta.

Embora muitas das primeiras pesquisas tenham sido feitas com câmeras de filme, a aplicação generalizada da análise da marcha a humanos com condições patológicas, como paralisia cerebral , doença de Parkinson e distúrbios neuromusculares , começou na década de 1970 com a disponibilidade de sistemas de câmeras de vídeo que poderiam produzir estudos detalhados de pacientes individuais dentro de custos e restrições de tempo realistas. O desenvolvimento de regimes de tratamento, muitas vezes envolvendo cirurgia ortopédica , com base nos resultados da análise da marcha, avançou significativamente na década de 1980. Muitos hospitais ortopédicos líderes em todo o mundo agora têm laboratórios de marcha que são rotineiramente usados ​​para elaborar planos de tratamento e para monitoramento de acompanhamento.

O desenvolvimento de sistemas modernos baseados em computador ocorreu de forma independente durante o final dos anos 1970 e início dos anos 1980 em vários laboratórios de pesquisa baseados em hospitais, alguns através de colaborações com a indústria aeroespacial. O desenvolvimento comercial logo seguiu com o surgimento da televisão comercial e, posteriormente, de sistemas de câmera infravermelha em meados da década de 1980.

Em 2018 surge uma nova proposta de medida cinética sumária, o Gait Kinetic Index .

Processo e equipamento

Aquisição de informações sobre a posição dos marcadores em 2D através das câmaras da esquerda e direita, esta combinação de informações dá origem a uma imagem 3D sobre a posição dos marcadores

Um laboratório de análise de marcha típico possui várias câmeras (vídeo ou infravermelho) colocadas em torno de uma passarela ou esteira, que são conectadas a um computador. O paciente tem marcadores localizados em vários pontos de referência do corpo (por exemplo, espinhas ilíacas da pelve, maléolo do tornozelo e côndilos do joelho) ou grupos de marcadores aplicados à metade dos segmentos corporais. O paciente desce a passarela ou esteira e o computador calcula a trajetória de cada marcador em três dimensões. Um modelo é aplicado para calcular o movimento dos ossos subjacentes. Isso fornece uma análise completa do movimento de cada junta. Um método comum é usar o conjunto de marcadores Helen Hayes Hospital , no qual um total de 15 marcadores são colocados na parte inferior do corpo. Os 15 movimentos do marcador são analisados ​​analiticamente e fornecem o movimento angular de cada junta.

Para calcular a cinética dos padrões de marcha, a maioria dos laboratórios possui transdutores de carga montados no solo, também conhecidos como plataformas de força, que medem as forças e momentos de reação do solo, incluindo magnitude, direção e localização (chamado de centro de pressão). A distribuição espacial das forças pode ser medida com equipamento de pedobarografia . Adicionar isso à dinâmica conhecida de cada segmento do corpo permite a solução de equações com base nas equações de movimento de Newton-Euler, permitindo cálculos das forças líquidas e os momentos líquidos de força sobre cada articulação em cada estágio do ciclo da marcha. O método computacional para isso é conhecido como dinâmica inversa.

Esse uso da cinética, entretanto, não resulta em informações para músculos individuais, mas para grupos de músculos, como os extensores ou flexores do membro. Para detectar a atividade e contribuição dos músculos individuais para o movimento, é necessário investigar a atividade elétrica dos músculos. Muitos laboratórios também usam eletrodos de superfície fixados na pele para detectar a atividade elétrica ou eletromiograma (EMG) dos músculos. Dessa forma, é possível investigar os tempos de ativação dos músculos e, até certo ponto, a magnitude de sua ativação - avaliando assim sua contribuição para a marcha. Desvios dos padrões normais de cinemática, cinética ou EMG são usados ​​para diagnosticar patologias específicas, prever o resultado de tratamentos ou determinar a eficácia dos programas de treinamento

Fatores e parâmetros

A análise da marcha é modulada ou modificada por muitos fatores, e as mudanças no padrão normal da marcha podem ser transitórias ou permanentes. Os fatores podem ser de vários tipos:

  • Extrínsecos: como terreno, calçados, roupas, carga
  • Intrínseco: sexo, peso, altura, idade, etc.
  • Físico: como peso, altura, físico
  • Psicológico: tipo de personalidade, emoções
  • Fisiológico: características antropométricas, ou seja, medidas e proporções do corpo
  • Patológico: por exemplo, trauma, doenças neurológicas, anomalias musculoesqueléticas, distúrbios psiquiátricos

Os parâmetros levados em consideração para a análise da marcha são os seguintes:

  • Comprimento do passo
  • Comprimento da passada
  • Cadência
  • Velocidade
  • Base dinâmica
  • Linha de progressão
  • Ângulo do pé
  • Ângulo do quadril
  • Desempenho de agachamento

Técnicas

Sequências de caminhada gravadas por captura de movimento

A análise da marcha envolve medição, onde parâmetros mensuráveis ​​são introduzidos e analisados, e interpretação, onde conclusões sobre o assunto (saúde, idade, tamanho, peso, velocidade, etc.) são tiradas. A análise é a medição do seguinte:

Temporal / espacial

Consiste no cálculo da velocidade, duração do ritmo, altura e assim por diante. Essas medições são realizadas através de:

  • Cronômetro e marcas no chão.
  • Andando em uma esteira de pressão.
  • Sensores de laser de alcance examinando um avião alguns centímetros acima do chão.
  • Sensores inerciais e software para interpretar giroscópios 3D e dados acelerométricos 3D.

Cinemática

  1. A cronofotografia é o método mais básico para registrar o movimento. A iluminação estroboscópica em frequência conhecida foi usada no passado para auxiliar na análise da marcha em imagens fotográficas únicas.
  2. Filmes cine ou gravações de vídeo usando imagens de uma ou várias câmeras podem ser usados ​​para medir ângulos e velocidades articulares. Este método foi auxiliado pelo desenvolvimento de software de análise que simplifica muito o processo de análise e permite a análise em três dimensões, em vez de apenas duas dimensões.
  3. Sistemas de marcadores passivos, usando marcadores reflexivos (normalmente bolas reflexivas), permitem a medição precisa de movimentos usando várias câmeras (normalmente de cinco a doze câmeras), simultaneamente. As câmeras utilizam estroboscópios de alta potência (normalmente vermelho, infravermelho próximo ou infravermelho) com filtros correspondentes para registrar o reflexo dos marcadores colocados no corpo. Os marcadores estão localizados em marcos anatômicos palpáveis. Com base no ângulo e no atraso de tempo entre o sinal original e refletido, a triangulação do marcador no espaço é possível. O software é usado para criar trajetórias tridimensionais a partir desses marcadores, que posteriormente recebem rótulos de identificação. Um modelo de computador é então usado para calcular ângulos de junta a partir das posições relativas do marcador das trajetórias rotuladas. Eles também são usados ​​para captura de movimento na indústria cinematográfica.
  4. Os sistemas de marcadores ativos são semelhantes ao sistema de marcadores passivos, mas usam marcadores "ativos". Esses marcadores são acionados pelo sinal infravermelho de entrada e respondem enviando um sinal correspondente próprio. Este sinal é então usado para triangular a localização do marcador. A vantagem desse sistema sobre o passivo é que os marcadores individuais funcionam em frequências predefinidas e, portanto, possuem sua própria "identidade". Isso significa que nenhum pós-processamento de localizações de marcadores é necessário; no entanto, os sistemas tendem a ser menos tolerantes com marcadores fora de vista do que os sistemas passivos.
  5. Sistemas inerciais (sem câmera) baseados em sensores inerciais MEMS , modelos biomecânicos e algoritmos de fusão de sensores. Esses sistemas de corpo inteiro ou parcial podem ser usados ​​em ambientes internos e externos, independentemente das condições de iluminação.

Captura de marcha sem marcadores

  • Os sistemas de captura de marcha sem marcação utilizam uma ou mais câmeras coloridas ou sensores de profundidade 2.5D (ou seja, Kinect) para calcular diretamente as posições das articulações do corpo a partir de uma sequência de imagens. O sistema sem marcador permite a análise não invasiva da marcha humana em um ambiente natural sem qualquer fixação do marcador. A eliminação de marcadores pode expandir a aplicabilidade das técnicas de medição e análise da marcha humana, reduzir consideravelmente o tempo de preparação e permitir uma avaliação de movimento precisa e eficiente em todos os tipos de aplicações. Atualmente, o principal sistema sem marcador é a captura de movimento baseada em vídeo com câmera monocular ou estúdio de múltiplas câmeras. Hoje em dia, a análise da marcha baseada em sensores de profundidade para aplicações clínicas está se tornando cada vez mais popular. Como os sensores de profundidade podem medir as informações de profundidade e fornecer uma imagem de profundidade 2,5D, eles efetivamente simplificaram a tarefa de subtração de primeiro plano / fundo e reduziram significativamente as ambigüidades de pose na estimativa de pose humana monocular .

Medição de pressão

Os sistemas de medição de pressão são uma forma adicional de medir a marcha, fornecendo informações sobre a distribuição de pressão, área de contato, centro de movimento da força e simetria entre os lados. Esses sistemas normalmente fornecem mais do que apenas informações de pressão; informações adicionais disponíveis a partir desses sistemas são parâmetros de força , tempo e espaciais. Diferentes métodos para avaliar a pressão estão disponíveis, como um tapete de medição de pressão ou passarela (comprimento mais longo para capturar mais batidas do pé), bem como sistemas de medição de pressão no sapato (onde os sensores são colocados dentro do sapato). Muitos sistemas de medição de pressão se integram a tipos adicionais de sistemas de análise, como captura de movimento, EMG ou placas de força para fornecer uma análise abrangente da marcha.

Cinética

É o estudo das forças envolvidas na produção dos movimentos.

Eletromiografia dinâmica

É o estudo dos padrões de atividade muscular durante a marcha.

Formulários

A análise de marcha é usada para analisar a capacidade de caminhar de humanos e animais, portanto, essa tecnologia pode ser usada para as seguintes aplicações:

Diagnósticos médicos

A marcha patológica pode refletir compensações por patologias subjacentes ou ser responsável pela própria causa dos sintomas. Pacientes com paralisia cerebral e derrame cerebral são comumente vistos em laboratórios de marcha. O estudo da marcha permite fazer diagnósticos e estratégias de intervenção, bem como permitir futuros desenvolvimentos na engenharia da reabilitação . Além de aplicações clínicas, a análise da marcha é usada no treinamento de esportes profissionais para otimizar e melhorar o desempenho atlético.

As técnicas de análise da marcha permitem a avaliação dos distúrbios da marcha e os efeitos da cirurgia ortopédica corretiva. As opções para o tratamento da paralisia cerebral incluem a paralisia artificial dos músculos espásticos usando Botox ou o alongamento, religação ou descolamento de tendões específicos . Correções da anatomia óssea distorcida também são realizadas ( osteotomia ).

Quiropraxia e usos osteopáticos

A observação da marcha também é benéfica para diagnósticos em profissões de quiropraxia e osteopatia, uma vez que obstáculos na marcha podem ser indicativos de pélvis ou sacro desalinhados. Como o sacro e o ílio se movem biomecanicamente em oposição um ao outro, as aderências entre os dois através dos ligamentos sacroespinhoso ou sacrotuberoso (entre outros) podem sugerir uma rotação da pelve. Os médicos da quiropraxia e da medicina osteopática usam a marcha para discernir a inclinação da pelve e podem empregar várias técnicas para restaurar uma amplitude completa de movimento nas áreas envolvidas no movimento ambulatorial. O ajuste quiroprático da pelve tem mostrado uma tendência em ajudar a restaurar os padrões de marcha, assim como a terapia osteopática manipulativa (OMT).

Biomecânica comparativa

Ao estudar a marcha de animais não humanos, mais informações podem ser obtidas sobre a mecânica da locomoção, que tem diversas implicações para a compreensão da biologia das espécies em questão, bem como a locomoção de forma mais ampla.

Marcha como biometria

O reconhecimento de marcha é um tipo de autenticação biométrica comportamental que reconhece e verifica as pessoas por seu estilo e ritmo de caminhada. Os avanços no reconhecimento da marcha levaram ao desenvolvimento de técnicas para uso forense, uma vez que cada pessoa pode ter uma marcha definida por medidas exclusivas, como a localização do tornozelo, joelho e quadril.

Vigilância

Em 2018, houve relatos de que o governo da China havia desenvolvido ferramentas de vigilância com base na análise da marcha, permitindo que eles identificassem pessoas de maneira única, mesmo que seus rostos estivessem obscurecidos.

Mídia popular

Livros didáticos

Veja também

Referências

links externos