Métodos de medição todos

BIOMECÂNICABIOMECÂNICAMétodos de mediçãoMétodos de medição

Carlos Bolli MotaCarlos Bolli Motabollimota@gmail.combollimota@gmail.com

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA

Laboratório de Biomecânica

INTRODUÇÃO

Por ser uma área de conhecimento fundamentalmente experimental e quantitativa, as técnicas de medição de grandezas físicas

aplicadas ao corpo humano são essenciais em biomecânica.

INTRODUÇÃO

Isto traz uma preocupação com o aperfeiçoamento dos métodos e equipamentos

de medição, tendo em vista resultados mais precisos para o estudo do movimento.

MÉTODOS DE MEDIÇÃO

Cinemetria Dinamometria Antropometria Eletromiografia

Posição e orientação dos

segmentos corporais

Forças e

distribuição de pressão

Parâmetros

para modelos corporais

Atividade muscular

CINEMETRIA

Do grego:

kínema - movimento

métron - medição, medida

Literalmente:

medição do movimento

CINEMETRIA

Conjunto de métodos para medir os parâmetros cinemáticos do movimento. A partir da aquisição

de imagens durante a execução de um movimento, realiza-se o cálculo das variáveis

dependentes dos dados observados nas imagens, como posição, orientação, velocidade e aceleração do corpo ou de seus segmentos.

CINEMETRIA

A cinemetria permite descrever geometricamente o movimento, mas não permite investigar suas

causas.

Embora a raiz da palavra remeta ao movimento, os mesmos princípios podem ser utilizados para

situações estáticas.

HISTÓRICO

Eadweard Muybridge (1830 - 1904)

Muybridge

Muybridge

HISTÓRICO

Étiènne-Jules Marey (1830-1904)

HISTÓRICO

Georges Demeny (1850-1918)

Marey - Demeny

Marey - Demeny

HISTÓRICO

Auguste Lumière (1862-1954)

Louis Lumière (1864-1948)

Irmãos Lumière

o cinematógrafo“uma invenção sem futuro”

HISTÓRICO

Christian Wilhelm Braüne(1821-1892)

Otto Fischer (1861-1917)

Braüne e Fischer

CLASSIFICAÇÃO

Quanto ao tipo de registro de imagens:

processos fotoquímicos - fotogrametria e cinematografia

processos fotoelétricos - videografia

CLASSIFICAÇÃO

processo fotogramétrico

CLASSIFICAÇÃO

Quanto ao processo de medição:

medição indireta (Roebuck et al., 1975)

comparação indireta (Beckwith et al., 1993)

medição óptica (Beckwith et al., 1993)

VIDEOGRAFIA

Na atualidade o método mais usual de aquisição de imagens é a videografia.

Com os avanços da eletrônica a videografia expandiu-se rapidamente, com a vantagem de os resultados da

gravação estarem imediatamente disponíveis, sem necessidade de demoradas e onerosas revelações.

Utiliza cargas elétricas e campos magnéticos para captar, transferir e armazenar imagens.

Câmeras de vídeo

As imagens videográficas são constituídas de seqüências de quadros. Cada quadro é formado

por dois campos que correspondem às linhas ímpares e pares da varredura. As linhas ímpares formam um campo e as linhas pares formam um

segundo campo. Os campos ímpares e pares são entrelaçados para formar um quadro.

Câmeras de vídeo

Diversos sistemas para análises biomecânicas usam câmeras de vídeo comuns que funcionam em

50 Hz (NTSC) ou 60 Hz (PAL). Existem câmeras que operam com freqüências de aquisição de

imagens mais altas (por exemplo, 120 Hz, 180 Hz ou maiores), mas nestes casos os sistemas de

gravação não seguem os padrões NTSC ou PAL.

Videografia bidimensional

• Pode ser usada quando o movimento de interesse ocorre fundamentalmente em um único plano ou quando interessa apenas analisar o que ocorre em um determinado plano.

• Exige apenas uma câmera.• Exige uma escala de calibração.

Videografia tridimensional

• Deve ser usada quando o movimento de interesse ocorre em mais de um plano e o interesse da análise não se resume a um único plano.

• Exige no mínimo duas câmeras.• Exige a filmagem de uma estrutura de calibração. *

Reconstrução tridimensional

O principal problema da análise de imagens éa recuperação de coordenadas espaciais.

movimentos humanos - no espaço

imagens - planas

Reconstrução tridimensional

• Imagens das câmeras - bidimensionais - duas coordenadas.

• Terceira coordenada - segunda câmera.• Sincronismo entre câmeras - mesma freqüência e aquisição da imagem no mesmo instante.

Reconstrução tridimensional

Direct Linear Transformation

Abdel-Aziz & Karara (1971)

Solução simultânea de duas transformações que são usualmente feitas em separado na

fotogrametria analítica convencional. O método realiza a transformação linear direta das

coordenadas da imagem ampliada para as coordenadas do objeto.

DLT

Diversos melhoramentos foram acrescentados ao método, como a correção de distorções de lentes.

ampla aceitação mundial

funciona onde o convencional falha

mais simples de usar

fácil programação computacional

menos tempo de máquina

Considerações importantes

• O método requer um sistema de base fixa, isto é, após serem registrados os pontos de referência, não poderá haver modificação alguma na posição das câmeras. Os pontos podem ser removidos.

Considerações importantes

• Os pontos de controle devem formar um volume, não podendo estar no mesmo plano. Os pontos que futuramente serão calculados devem estar dentro do volume delimitado pelos pontos de controle.

• Mais de duas câmeras podem ser usadas. 

Vantagens

• Liberdade de orientação das câmeras.• Possibilidade de uso de câmeras convencionais não-métricas.

• Relativa simplicidade de cálculo computacional.

Desvantagens

• O uso de uma estrutura de calibração limita o uso no caso de movimento bastante amplos.

• A precisão do método está intimamente relacionada com a precisão com que se determinam as coordenadas espaciais dos pontos de controle, o que nem sempre é tarefa fácil. 

Exemplos

pontos anatômicos de referência

Exemplos

salto em distância

Exemplos

handebol - arremesso em suspensão

Problemas

• Identificação de referências anatômicas• Impossibilidade de utilizar marcadores• Movimentação dos marcadores durante o movimento

• Visualização dos pontos de referência durante o movimento - maior número de câmeras

• Processamento demorado *

Na UFSM - PEAK MOTUS

• Duas câmeras que operam a 60 Hz ou 180 Hz• Hardware e software para a análise de movimentos

Somente duas câmeras aumentam as dificuldades de visualização dos pontos de

referência anatômica

MÉTODOS DE MEDIÇÃO

Cinemetria Dinamometria Antropometria Eletromiografia

Posição e orientação dos

segmentos corporais

Forças e

distribuição de pressão

Parâmetros

para modelos corporais

Atividade muscular

DINAMOMETRIA

Do grego:

dina - força

métron - medição, medida

Literalmente:

medição da força

DINAMOMETRIA

Conjunto de métodos que para medir força e pressão, internas ou externas.

• Forças e pressões externas - mais fáceis de serem medidas - métodos não invasivos

• Forças e pressões internas - mais difíceis de serem medidas - métodos invasivos

DINAMOMETRIA

A dinamometria permite investigar as causas do movimento (forças).

Baseia-se na relação entre deformação de um transdutor e alguma grandeza elétrica

resultante desta deformação.

HISTÓRICO

• Etienne Jules Marey (1830 - 1904) - medidas de força e pressão

• Jules Amar (1879 - 1935) - plataforma de força pneumática tridimensional

• Wallace Fenn (1893 - 1971) - plataforma de força mecânica unidimensional

• Herbert Elftman (???? - ????) - plataforma de força mecânica tridimensional

TRANSDUTORES

• Piezoelétricos - deformação gera potencial elétrico

• Capacitivos - deformação muda a capacitância do trandutor, alterando a frequência de um oscilador

• Resistivos (strain gages ou extensômetros) - deformação muda a resistência do transdutor, alterando a corrente em um circuito *

Extensômetros

Força - plataforma de força

Plataforma de força

Instrumento utilizado para medir a força de reação do solo (FRS)

Exemplos

0

100

200

300

1 1,5 2 2,5

tempo (s)

forç

a (N

)

com

sem

curvas típicas da FRS na marcha

Exemplos

curvas da FRS na marcha - diplegia

Exemplos

curvas da FRS em exercícios de hidroginástica

Exemplos

avaliação do equilíbrio

olhos abertos olhos fechados

X S X S

COPap 1,12  0,15 1,13 0,29

COPml 1,05  0,34 1,07 0,24

DMap 0,20  0,05 0,20 0,05

DMml 0,19  0,07 0,20 0,07

valores em centímetros

Na UFSM - AMTI OR6-5

• Duas plataformas de força com capacidade de até 1000 kgf e freqüência de aquisição de até 1000 Hz

• Hardware e software para a coleta e análise de dados

• Coleta e processamento dos dados relativamente rápida

Pressão

sistema F-Scan

MÉTODOS DE MEDIÇÃO

Cinemetria Dinamometria Antropometria Eletromiografia

Posição e orientação dos

segmentos corporais

Forças e

distribuição de pressão

Parâmetros

para modelos corporais

Atividade muscular

ELETROMIOGRAFIA

Do grego:

elektron – eletricidade

mios - músculo

graphon - grafia, escrita

Literalmente:

grafia da eletricidade dos músculos

ELETROMIOGRAFIA

Conjunto de métodos para o registro da atividade elétrica associada à contração muscular.

HISTÓRICO

• Jan Swammerdan (1637 - 1680) - primeiras descobertas em relação à inervação

• Francesco Redi (1626 - 1698) - relação entre músculos e geração de eletricidade

• Luigi Galvani (???? - ????) - relação entre estimulação elétrica, contração muscular e produção de força

HISTÓRICO

• Guillaume Duchenne (1806 - 1875) - “pai” da eletrofisiologia - aplicação de estimulação elétrica em músculos intactos

HISTÓRICO

Duchenne - estimulação de músculos da face

HISTÓRICO

• Herbert Jasper (1906 - 1999) - primeiro eletromiógrafo em 1924

• John Basmajian (???? - ) - autor de “Muscles Alive” - referência em eletromiografia

ELETROMIOGRAFIA

• Eletromiografia de profundidade - permite captar sinais de músculos profundos, mas é invasiva - problemas

• Eletromiografia de superfície – não invasiva, mais fácil de usar, mas não serve para músculos profundos

Eletrodos

eletrodos de profundidade

Eletrodos

eletrodos de superfície

Sinal eletromiográfico

O sinal captado pelos eletrodos é o somatório de todos os potencias de ação existentes num

determinado instante.

Sinal eletromiográfico

sinal no domínio do tempo

Sinal eletromiográfico

sinal no domínio da freqüência

Problemas

• Sinal muito baixo, precisa ser amplificado• Sujeita à ruídos mecânicos e eletromagnéticos• Posicionamento dos eletrodos• Coletas em diferentes momentos• Sinal de músculos adjacentes• Variabilidade do sinal eletromiográfico• Processamento do sinal após a coleta

Exemplos

• Seqüência e padrão de ativação de músculos• Identificação de músculos envolvidos em movimentos• Detecção de fadiga• Tempo de reação pré-motor

Importante!

• Normalização do sinal coletado *• Utilização dos eletrodos em configuração bipolar

• Eletromiografia NÃO mede força muscular

Na UFSM - LINX EMG1000

• Eletromiógrafo com 12 canais e freqüência de aquisição de até 2000 Hz

• Hardware e software para a coleta e análise de dados

• Coleta dos dados relativamente rápida• Processamento relativamente demorado

CONSIDERAÇÕES FINAIS

• Qualquer um dos métodos de medição, quando utilizado isoladamente, fornecerá informações fragmentadas

• Melhor compreensão do fenômeno observado será obtida com a utilização conjugada de mias de um tipo de medida

CONSIDERAÇÕES FINAIS

• Todos os equipamentos e métodos têm suas vantagens e problemas; é preciso conhecê-los para tirar o melhor proveito de cada um

• Nunca esquecer a Lei de Murphy...

Gracias pela atenção!