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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.43.2014.tde-27012015-102820
Documento
Autor
Nome completo
Maria Isabel Veras Orselli
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2014
Orientador
Banca examinadora
Duarte, Marcos (Presidente)
Ackermann, Marko
Blak, Ana Regina
Helene, Otaviano Augusto Marcondes
Sacco, Isabel de Camargo Neves
Título em português
Estimativa das forças musculares em seres humanos durante o andar
Palavras-chave em português
Biomecânica
Hidroterapia
Idosos
Simulação
Tendão de Aquiles
Resumo em português
A estimativa das forças musculares durante o movimento humano tem inúmeras aplicações na área da Biomecânica. Nesse trabalho descrevo a aplicação de métodos de estimativa das forças musculares a dois diferentes problemas. O primeiro consiste em se quantificar as cargas a que os músculos e as articulações do membro inferior de adultos jovens estão sujeitos durante o andar em ambiente aquático e terrestre. Já o segundo consiste na investigação do efeito do aumento da complacência do tendão de Aquiles (TAq; tendão do triceps sural) na dinâmica de produção de força dos músculos gastrocnêmio e sóleo (G e S respectivamente; ambos músculos do triceps sural), visando compreender se o aumento da complacência, observado com o envelhecimento, poderia contribuir para as alterações na biomecânica da marcha de idosos. A hipótese no primeiro estudo era de que as forças desenvolvidas pelos músculos do membro inferior durante o andar em ambiente aquático não seriam menores em relação ao ambiente terrestre. Especificamente, esperávamos observar um aumento nas forças geradas nos flexores e extensores de quadril e joelho. No segundo estudo, nossas hipóteses eram de que o aumento na complacência do TAq faria com que as fibras musculares operassem mais distantes do seu comprimento ótimo, aumentando os níveis de ativação e o consumo metabólico dos músculos G e S. Com o objetivo de verificar as hipóteses levantadas nos dois estudos propostos utilizamos o software OpenSim 3.1 e dados experimentais dos movimentos estudados, para realizar simulações do andar humano e estimar as forças nos músculos do membro inferior durante essa tarefa. Em ambos os estudos os dados experimentais foram adquiridos através de sistemas de análise do movimento humano compostos por câmeras, para filmar os movimentos corporais dos voluntários, e plataformas de força, para medir as forças de reação do solo. Os resultados obtidos no primeiro estudo confirmaram nossas hipóteses, uma vez que indicam que durante determinadas fases do ciclo da marcha as forças geradas pelos músculos flexores e extensores de joelho e quadril, tais como os músculos isquiotibiais e o gluteo máximo, podem exceder as forças geradas em ambiente terrestre. Esses resultados corroboram a idéia de que o andar em ambiente aquático pode ser efetivo no ganho de força muscular. As hipóteses para o segundo estudo também foram confirmadas. Adicionalmente, nossos resultados previram que, para o triceps sural gerar a potência necessária para manter o indivíduo andando com velocidade confortável, os tendões dos músculos G e S devem se movimentar de maneira independente. A diferença no movimento dos feixes do TAq é tanto maior quanto maior a sua complacência. Além disso, verificamos que há um mínimo no consumo metabólico do gastrocnêmio em um nível específico de complacência do TAq, enquanto para o sóleo o consumo aumenta sistematicamente com o aumento da complacência. Esses resultados indicam que um aumento na complacência do TAq pode comprometer o desempenho dos músculos do triceps sural e aumentar o seu consumo energético, contribuindo para as alterações na biomecânica da marcha de idosos. As informações fornecidas nos dois estudos aqui apresentados podem auxiliar profissionais de área da saúde no planejamento de programas de treinamento e reabilitação para adultos e idosos, tanto no ambiente terrestre quanto no ambiente aquático.
Título em inglês
Muscle force estimation during human walking
Palavras-chave em inglês
Achilles tendon
Biomechanics
Elderly
Hydrotherapy
Simulation
Resumo em inglês
Muscle force estimation during human motion has numerous applications in Biomechanics. In this work, we describe the application of methods of muscle force estimation to solve for two different problems. The first problem is to quantify lower limb muscle and joint loads that young adults are subjected to when walking in the aquatic and terrestrial environment. The second problem is to understand the effect of increased Achilles tendon compliance (AT; the triceps surae tendon) in the gastrocnemius and soleus contractile dynamics (G and S respectively; both triceps surae muscles), aiming at understanding if increased AT compliance, that occurs with aging, could play a role in the elderly gait alterations. Our hypothesis for this first study was that the forces developed by the lower limb muscles in water are not always lower than on land. Specifically, we hypothesized that the forces developed by the hip and knee flexors and extensors would be grater in water than on land. For the second study our hypothesis was that the compliant AT would cause the fibers to operate far from its optimal length resulting in higher levels of activation in both G and S, as well as higher specific metabolic consumption. In order to verify our hypotheses for both studies we used the software OpenSim 3.1 together with experimental data of volunteers walking in aquatic and terrestrial environments to simulate human walking and to estimate the forces developed by the lower limb muscles during this task. In both studies, experimental data were acquired through human movement analysis systems composed of cameras, to record the movements of the volunteers' body, and force plates, to measure ground contact forces. We confirmed our hypotheses to the first study since our results showed that in certain periods of the gait cycle the forces developed in the knee and hip flexors and extensors, such as the hamstrings and the gluteus maximus, inside water exceeded the forces in corresponding periods of land walking. Those results corroborate the idea that walking inside water may be effective in muscle strengthening. We also confirmed our hypotheses to the second study. Additionally, we predicted that to generate the necessary power to walk with comfortable speed the triceps surae G and S tendon must move independently. This differential behavior becomes larger the greater the AT compliance. In addition, we also observed that G metabolic energy consumption was minimized for a specific level of AT compliance while S systematically increased. Those results suggest that increased AT compliance can compromise the triceps surae performance and increase metabolic consumption, contributing to the alterations on the elderly gait biomechanics. The results of our two studies may assist health professionals to better plan training and rehabilitation programs for adults and elderly in both, terrestrial and aquatic environment.
 
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MIVO_VerBanca.pdf (3.79 Mbytes)
TeseMIVO_final.pdf (4.57 Mbytes)
Data de Liberação
2017-07-20
Data de Publicação
2015-07-27
 
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