View
4.981
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
BIOMECÂNICABIOMECÂNICAMétodos de mediçãoMétodos de medição
Carlos Bolli MotaCarlos Bolli [email protected]@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!