Biomecânica - Aula 12 biomec musculos e ossos parte 2

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Felipe P Carpes

Biomecânica de tendões, ligamentos e músculo esquelético

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Ossos

Articulações

Tendões -Ligamentos

Músculos

SNC

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Objetivos da aula

Discutir as propriedades mecânicas de ossos, músculos, articulações, tendões e ligamento;

Apresentar conceitos básicos referentes ao sistema músculo-esquelético e suas características biomecânicas;

Descrever mecanismos de interação entre os tecidos ósseo, muscular e nervoso com base na neuromecânica;

Apresentar fatores selecionados que influenciam as propriedades mecânicas destes tecidos.

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

• Estruturas passivas

• Ligamento: aumenta estabilidade, guia o movimento, limita a amplitude de movimento

• Tendão: transmite cargas do músculo ao osso, permite o movimento

Tendões e ligamentos

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Diferença nos feixes da arquitetura

Tendões Ligamentos

Ligam o músculo ao osso Ligam duas estruturas ósseas

99% colágeno tipo I – mais denso

1% colágeno do tipo II

90% colágeno do tipo I10 % colágeno do tipo II

Fibras ordenadas paralelamente Fibras paralelas e outras oblíquas

Cargas tensionais unidirecionais Cargas tensionais em uma direção principal e em direções secundárias

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Tendão (T) x Ligamento (L)

T L

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Quanto maior a AST do

ligamento/tendão, maior a

resistência a ruptura

com carga

sem carga

Deformação

Tensão

Comportamento mecânico de um tendão

Histeresetendência de um material ou sistema de conservar suas propriedades na ausência de um estímulo que as gerou

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Noyes et al, 1977

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Entorses de tornozelo

Grau I (leve) estiramento da regiãoGrau II (moderado) estiramento e ruptura parcial (pode gerar edema)Grau III (grave) estiramento e ruptura total com possível avulsão

do osso (envolve edema)

Relação entre a AST do músculo e AST do tendão => força muscular transferida

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Coelhos – o tendão é responsável por boa parte do estiramento

do SO em tensões que correspondem ao

repouso fisiológico

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Tendão de Aquiles livre (sem aponeurose) suportou uma

deformação de 8% enquanto a aponeurose suportou 1,4%.

O tendão pareceu ser mais “elástico” do que a aponeurose.

Os aspectos mecânicdos do tendão e aponeurose do tríceps sural são de grande importância devido a sua participação na locomoção, onde

cargas de até 11kN/cm2 são observadas (Komi et al 1987, 1992).

As diferenças entre a aponeurose e o tendão, e os alto risco que ambos

apresentam de lesão (junção músculo-tendínea) permanecem sendo desafios para os estudos

clínicos.

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

LCP - Função normal

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

LCP - ruptura LCP – avulsão da tíbia

VIDEOS lesão joelho

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Envelhecimento

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Imobilização

Mesmo após 8 semanas de imobilização o tendão tenha perdido rigidez, o principal efeito da imobilização foi sobre o tendão em si, mas sobre a ocorrência de osteoporose na inserção.

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Músculo Esquelético

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Involuntário

órgãos internos

núcleo central

Involuntário

estriado

núcleo central

Voluntário

estriado

multinucleado

Tipos de tecido muscular

Músculo esquelético Músculo cardíaco Músculo liso

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

COMPONENTES DO MÚSCULO

COMPONENTES ELÁSTICOS

São aqueles que retornam a sua forma original após o relaxamento. Exemplo:

Miofilamentos e o tecido conjuntivo.

COMPONENTES PLÁSTICOS

São aqueles que não retornam à forma original cessada a contração, se não

houver influência externa. Exemplo:

Mitocôndrias

Retículo Sarcoplasmático

Sistema Tubular

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

O diâmetro das fibras musculares varia entre 10 e 80 μm, sendo que o maior músculo humano (em relação a área transversa) é o glúteo.

No andar, se utiliza cerca de 200 músculos, sendo que o corpo humano possui mais de 600 músculos, o andar envolve atividade de cerca de 40% da nossa musculatura.

O músculo capaz de realizar o movimento mais rápido no corpo humano é aquele responsável pelo movimento das pálpebras.

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Organização espacial dos músculos

Posteriores

MediaisAnteriores

FemurBBFF

SSTT

SSMM

VLVL

VMVM

RRFF

AMAM

ALAL

SASA

Gr.

Gr.

VL vastus lateralis

VM vastus medialis

RF rectus femoris

SA sartorius

AM adductor magnus

AL adductor lateralis

GR gracilis

BF biceps femoris

SM semitendinosus

SM semimembranus

Organização espacial dos músculos - coxa

Ucalgary, HPL

posteriores

Posteriores profundos

anteriores

laterais

tibia

fibulasoleussoleus

FHLFHL

TTPPE

DL

ED

LE

HL

EH

L

TATA

PL

PL

PB

PB

gastrocnemiusgastrocnemius

FD

LF

DL

Organização espacial dos músculos - perna

GM gastroc medialis

SO soleous

FHL flex hallucis long

PB peroneous brevis

PL peroneous longus

EDL ext digit long

EHL ext hallucis long

FDL flex digitorium long

TA tibialis anteriorUcalgary,HPL

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

LocomoçãoMúsculos e ossos: forças e alavancas

Posicionamento do corpoMovimentos rápidos, lentos, acelerações,

desacelerações

PosturaMantém posturas (boas e más), estabilidade articular

Funções primárias relacionadas ao movimento

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Controle postural

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Músculo

Fascículos

Fibras musculares

Miofibrila

Sarcômero

Fibras musculares

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Vídeos contração muscular

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Duchenne - estimulação de músculos da face

Eletromiografia

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Vídeos EMG profundidade Matheus

Vídeos EMG superfície

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

EMG – como isso funciona?

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Força / EMG

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Vídeo EMG força-velocidade isocinético

VídeosSuperfície e wire-EMG

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Eficiência neuromuscular

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

iEM

G

Força

antes

depois

Aumento na ativação

Sem mudanças na razão EMG/FiE

MG

Força

Sem mudanças na ativação

Aumento na razão EMG/F

Figura 1 (A) Figura 1 (B)

=

≠

Ganho de força por fatores neurais Ganho de força por fatores hipertróficos

Avaliação da participação de fatores neurais e hipertróficos

Moritani & Devries, 1979

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Tipos de fibra

Lentas - I (“vermelhas”)Rápidas – IIa, IIb (“brancas”)

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Recrutamento em uma contração voluntária máxima

Nív

el d

a c

on

tra

ção

(%

CV

M)

Participação de cada tipo de fibra (%)

Tipo I

Tipo IIa

Tipo IIb

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Recrutamento de acordo com a força requerida

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Johnson et al 1973

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Johnson et al 1973

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Johnson et al 1973

unipenado

multipenado

bipenado

fusiforme

Arquitetura muscular

Secção transversa Secção transversa anatômicaanatômica

Secção fisiológicaSecção fisiológica

Perpendicular as fibras

Arquitetura muscular

Perpendicular ao músculo

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Muscle Nerve 23: 1647–1666, 2000

Músculos com maior área de seção transversa produzem mais força

Por quê?

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Knee Surg Sports Traumatol Arthrose 14:310-17, 2006

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

A força total é proporcional aos número de sarcômeros em paralelo

A velocidade é proporcional a quantidade de sarcômeros em série

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

O treinamento físico faz aumentar o ângulo de penação das fibras musculares

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Vídeo arquitetura muscular

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Músculos monoarticulares x biarticulares

MonoarticularesCruzam uma articulação

Produtores de forçaEstabilização articularControle de movimento

Penados na maioria

BiarticularesMúsculos longos

Fusiformes na maioriaControle e direcionamento de

grandes amplitudes de movimentoMais propensos a lesões

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Membro inferior humano

Cinemática de 3 segmentos (coxa, perna e pé); pé no solo.

A ação muscular cria um vetor de força F.

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

(a) Extensores do quadril, monoarticulares (psoas)

(b) Extensores do joelho, monorticulares (grupo vastus)

(c) Extensores do tornozelo, monoarticular (soleus)

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

(d) biarticular, rectus femoris, (flexor do quadril e extensor do joelho)

(e) biarticulares, posteriores da coxa (extensor do quadril e flexor do joelho)

(f) biarticular, gastrocnemius (flexor do joelho e extensor do tornozelo)

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Agonistas ou motores primáriosmúsculos responsáveis diretamente pelo movimento. Perfazem a maior parte do esforço.

Antagonistasmúsculos que se opõem ao movimento. Desempenham importante papel, pois desaceleram o movimento.

Sinergistas

atuam auxiliando o movimento, são responsáveis pela coordenação motora fina na atividade minimizando movimentos indesejados.

Classif icação quanto à tarefa

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Ações musculares

Concêntrica: músculo gera tensão enquanto seu comprimento diminui. Torque int > torque ext

Isométrica: músculo gera tensão mas não ocorre movimento

Excêntrica: músculo gera tensão enquanto seu comprimento aumenta. Torque int < torque ext

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Relação Força x Velocidade – Hill (1938)

Músculos longos – efeito em série predomina aumentando a VELOCIDADE

Músculos curtos – Efeito em paralelo, maior ASTF e predomina a FORÇA

Baseado em Herzog et al (2007)

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Fatores (selecionados) que influenciam a produção de força

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Zatsiorsky, 1996

Sexo e idade

Idade (anos)

Fo

rça

(N

)Homens

Mulheres

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Envelhecimento

2,17 µ

22

2,00 µ

3

1,70 µ

4

3,60 µ

11

1,27 µ

5

Fo

rça

( % m

áxim

a)F

orç

a ( %

máx

ima)

Comprimento (µm)Comprimento (µm)

123

4

01,27 2,00 3,60

5

2,171,70

Força x Comprimento

100

Gordon et al., 1966

Fibra de sapo

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Adaptação funcional do músculo-esquelético

Herzog et al, MSSE, 1991

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

comprimento

mo

men

to

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Vaz et al., 2003

Jogadores de vôlei e bailarinas clássicas apresentam adaptações específicas para músculos flexores e extensores plantares

Encurtado Alongado

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Sistema musculoesquelético“Biomecanicamente...”

Ossos (O) – suporte e alavancas

Músculos (M) – produção de força

Articulações (A) – permitem a movimentação dos segmentos

Interação entre O, M e A gera movimento ou manutenção de posturas

Diversos aspectos influenciam esta relação

atividade física efeitos positivos

uso reduzido efeitos negativos

treinamento adaptação funcional

Qual o mecanismo de controle dessa(s) interação(ões)?

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Sistema Nervoso Central (SNC)

Unidade fundamental – neurônio

http://www.utexas.edu/neuroscience/Neurobiology/WesThompson/images/1nmj.jpg

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Neurônios motores: função de transmitir o sinal desde o SNC ao órgão efetor, para que este realize a ação que foi ordenada pelo comando central.

Neurônios sensores: são os neurônios que reagem a estímulos exteriores e que disparam a reação a esses estímulos, se necessário.

Interneurônios: mais numeroso. Conecta os neurônios motores e sensoriais.

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Sistema Nervoso Central (SNC)

Unidade fundamental – neurônio

Neurônio + fibras musculares inervadas = unidade motora (UM)

Proporção entre nervos e fibras – determina precisão

menores – movimentos finos

maiores – movimentos grosseiros

UM de contração lentas

UM de contração rápida (IIa, IIB)

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Princípio do tamanho (Elwood Henneman)

Motoneurônios de menor diâmetro inervam fibras lentas (oxid)

Motoneurônios intermediários inervam fibras IIa (oxid/glicolit)

Motoneurônios de grande diâmetro inervam fibras IIb (glicol)

Motoneurônios de menor diâmetro são mais facilmente excitados

Logo:

Fibras lentas são estimuladas com limiares de excitação mais baixos

Fibras rápidas são estimuladas com limiares de excitação mais altos

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Recrutamento de acordo com a força requerida

(I)

Per

cent

ual d

e fib

ras

mus

cula

res

recr

utad

as

Força muscular

Leve Moderada Máxima

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Unidade Motora

Ação

Regulação

M a s . . .

medula espinhal

nervo espinhal

nervo espinhal (axônio)

Corpo celular do neurônio

fibra muscular

Representação de uma UM (modificado de Basmajian, 1955)

50/58

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Ação

Regulação

Como saber ‘quando’ e ‘como’ recrutar?

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

VIAS = AFERENTES (“que aferem”) E EFERENTES (“que executam”)

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Das teorias de controle e aprendizagem motora temos que o processamento de informação baseia-se em experiências prévias, mas também depende da interação dinâmica com o ambiente

Adaptado de Lent (2003)

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

O que detectam os ÓRGAO TENDINOSOS DE GOLGI?Variação da tensão mecânica sobre os tendões. Estão em série com às Fibras Extrafusais

O que detectam os ÓRGAO TENDINOSOS DE GOLGI?Variação da tensão mecânica sobre os tendões. Estão em série com às Fibras Extrafusais

O que detectam os FUSOS MUSCULARES?Variação de comprimento das fibras musculares. Estão paralelos às Fibras Extrafusais

O que detectam os FUSOS MUSCULARES?Variação de comprimento das fibras musculares. Estão paralelos às Fibras Extrafusais

Receptores proprioceptivos musculares Motoneurônios α recebem uma cópia da informação proprioceptiva e realizam ajustes automáticos reflexos necessários. As unidades ordenadoras (os motonêuronios) recebem informações a cerca da tensão e da variação do comprimento das fibras musculares.

Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec

Referências básicas

• Hamill J, Knutzen KM. Bases biomecânicas do movimento humano. Manole: São Paulo, 1999.

• Enoka RM. Bases neuromecânicas da cinesiologia. 2.ed. Manole: São Paulo, 2000.

• Hall S. Basic biomechanics. 5.ed. McGrow Hill: Boston, 2007.

• Winter D.A. Biomechanics and motor control of human movement. 2.ed. John Wiley & Sons: New York, 1990.