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Gravidade e Forças do MovimentoO corpo humano é afetado por diferentes forças a todo o momento. a força mais conhecida é a da gravidade, que age continuamente sobre o corpo – a não ser numa situação de gravidade zero. em um ambiente de gravidade zero, essa força é neutralizada ou compensada pela força cen-trífuga. a força gravitacional atrai o corpo huma-no em direção o centro da Terra e gera o que chamamos de peso corpóreo.além da gravidade, existem muitas outras for-ças agindo sobre o corpo humano. por exem-plo, a aplicação de força é necessária para ini-ciar ou desacelerar o movimento do corpo. Similarmente, um corpo sujeitado a uma força estática sempre demanda uma força de reação de igual intensidade e sentido oposto para manter-se estático. Quando levantamos, somos puxados pela ace-leração da gravidade da Terra e o solo resiste a ela com uma força de reação de igual magnitude.essas forças podem ser medidas com uma balança ou, ainda melhor, com uma plataforma de força. Quando andamos sobre esta plataforma, ela também pode mensurar as forças dinâ-micas geradas durante a marcha. Durante a marcha, as essas forças podem exceder em grande escala a força peso, dependendo da velocidade. a força dinâmica é particularmente intensa quan-do o calcâneo entra em contato com o solo e o movimento do corpo é desacelerado.

Distribuição da ForçaMuitas forças que agem sobre o corpo humano são compostas por diversas forças simples. por exemplo, na posição sentada o peso corporal é distribuído pela pelve, com diversas áreas de contato suportando diferentes cargas. Se os pés não tocam o solo e não há braçadeiras e encosto na cadeira, a somatória das forças aplicadas resulta no nosso peso corporal total.Com uma grande quantidade de sensores de força, é possí-vel identifi car cada força que age em nas diversas subáreas.

estas, devem ser conhecidas em detalhes para possibilitar a determinação da pressão nessas subáreas, e, considerando que as forças são distribuídas homogeneamente por elas, a pressão é calculada pela fórmula “pressão é igual à força por unidade de área”.

Forças Compressivas e Híbridasexistem também tipos de força e pressão não relacionadas à gravidade. por exem-plo, uma bota pode provocar dor mesmo quando o pé está suspenso no ar, sem contato com o solo. Se o calçado está muito apertado, pressões locais agem sobre o pé, podendo interromper a circulação sanguínea ou restringir o movimento do tornozelo. essas são forças de compressão típicas que atuam sob o princípio da “ação e re-

ação”, não relacionadas à gravidade.Forças híbridas relacionadas com a gra-

vidade e/ou com forças de compressão, podem ser encontradas na articulação do joelho. enquanto o peso corporal é susten-tado pelos joelhos, uma força específi ca mantém as articulações unidas mesmo sem haver aplicação de pressão sobre o pé. essa força é gerada pela ativação de músculos, e a tensão dos tendões e ligamentos. O tônus dessas estruturas existe mesmo com o corpo sob anestesia geral, situação em que há pou-ca ou nenhuma atividade muscular. Outro ex-

emplo de força compressiva ocorre quan-do duas pessoas se cumprimentam

apertando as mãos; nesse caso, as forças individuais dos dedos, pole-gares e palma da mão constituem

a força geral do aperto de mão.Na tecnologia ortopédica, forças

transmitidas pelo contato com o corpo geralmente são hí-bridas, juntando forças compressivas e forças geradas pela massa do objeto – que são dependentes de uma trans-ferência dessa força para o solo. Tais forças estão presen-tes em órteses, próteses, compressas cirúrgicas, aparelhos ortopédicos, calçados especializados, ou suportes para o

P. Seitz

Pressões e Forçasno Corpo Humano e suas Medidas

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arco plantar. a Biomecânica é um campo em que as for-ças e suas distribuições têm um papel crucial. Dentro desse ramo, a área ortopédica é particularmente importante, já que ossos, articulações, ligamentos e músculos funcionam somente em conjunto com certas forças. para implantes mecânicos, especialmente artroplastias, as forças espera-das precisam ser conhecidas para otimizar as dimensões do implante e para garantir sua função e estabilidade. Vetores de Força e Escalas de PressãoForças são medidas por meio de sensores de força e pres-são. eles podem ser um sensor individual ou uma coluna de sensores, com uma grade sobre os locais mensurados na forma de uma matriz. Segundo o conceito físico, força é um vetor com valor absoluto de magnitude, uma direção e um sentido. Seguindo essa defi nição, os sensores foram desen-volvidos de forma a medir a quantidade, isto é, a magnitude da força, sua direção e sentido. por exemplo, a direção da gravidade sempre ocorre verticalmente no sentido do cen-tro da Terra, porém o rolamento do pé durante o andar gera também componente de força horizontal. O calcâneo em-purra o solo para frente e o antepé, para trás. este princípio pode ser observado quando se caminha sobre um tapete. plataformas de força podem mensurar também estes com-ponentes horizontais da força.por outro lado, a pressão não é um vetor e sim uma grande-za escalar. portanto, medidas de pressão produzem apenas um valor absoluto, sem direção. assume-se que a pressão sempre age perpendicularmente à área defi nida, como na superfície de uma bexiga ou em um receptáculo. então, equipamentos de medida para análise de distribuição da pressão sempre mede a carga perpendicular ao sensor. Con-hecendo a sua posição em relação ao local no qual a carga é aplicada, a medida da força permite o cálculo da pressão incidida sobre essa área, desde que haja uma distribuição uniforme dessa força por toda a área do sensor.

Pedografi aMedidas de pressão e força sob a planta dos pés são cha-madas de pedografi a. a plataforma de mensuração para pedografi a (fi gura 1) geralmente é colocada sobre o solo, e é constituída por muitos sensores individuais em forma de matriz. para a determinação espacial e temporal da pressão dinâmica e da progressão da força sob o pé em movimento, um sistema eletrônico acessa os sensores individuais rápi-da e sucessivamente. por isso, é possível identifi car as forças verticais de reação durante atividades de corrida, no eixo Z (vertical) em sentido ao centro da Terra. a força vertical total é calculada como a soma das forças individuais no pé em um dado instante. Utilizando essa fórmula, podem-se calcu-lar as componentes horizontais da força antero-posterior e médio-lateral, ou seja, os eixos X e Y das forças.

Pressão ou Forçaao utilizar equipamentos de medida para determinar a dis-tribuição da força e pressão, é de fundamental importância distinguir se o objetivo é de identifi car pressões localizadas ou forças agindo sobre uma área determinada. Conhecen-do as respectivas subáreas em detalhes, ambos são basica-mente o mesmo, porém durante o procedimento de me-dida eles devem ser diferenciados. Isso será ilustrado com alguns exemplos.Colocamos uma carga de apenas dois gramas sobre a agulha de uma vitrola. entretanto, a ponta da agulha é tão fi na que a área de contato tem apenas 17 mm. a pressão gerada é extremamente alta, na ordem de 7.000 Newton, número este resultante da fórmula física “pressão é igual à força dividida pela área”. por outro lado, um caminhão pode ser equipado com pneus contendo uma pressão de apenas três bar, ou seja, aproximadamente 30 Newton. Isso ocorre devido à superfície de contato do pneu, que é gran-de o sufi ciente para carregar cinco toneladas de peso, isto é, 50.000 Newton, sem problemas. O seguinte princípio é

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aplicado: “força (ou seja, peso) é igual à pressão (dentro do pneu) vezes a área (do pneu)”. Na área da saúde, encontramos exemplos análogos: para perfurar a pele com uma agulha pontiaguda, uma pressão relativamente pequena, de poucos Newtons, aplicado so-bre a agulha é o suficiente. No caso de um pé diabético, uma pequena interferência como uma ínfima pedra den-tro do calçado pode levar a uma úlcera. esse fato tem re-lação com a enorme pressão exercida sobre uma pequena área, o que pode atravessar o tecido com facilidade. Já no caso de uma cirurgia de correção de hálux valgo, o sucesso da operação pode depender da capacidade desse artelho transferir novamente força o suficiente para o solo, e não somente do fato do hálux ter ficado alinhado e ter mel-horado esteticamente. O hálux tem uma importância vital para a propulsão do corpo, precisando transferir uma força considerável ao solo. Nesse caso, a grande pressão produ-zida nessa pequena área não tem grande relevância; o im-portante é que haja força o suficiente sendo transferida e distribuída pela superfície de contato do hálux.apesar de força e pressão serem fisicamente inter-relaci-onados pela superfícies de contato, a pressão é mais im-portante para os tecidos e vasos, e a força é mais relevante para a biomecânica funcional do sistema esquelético.

Sensores de Força e PressãoCada medida de força e pressão necessita de um sensor para transformar a força em uma variável mecânica e eletrônica. Mecanicamente, por exemplo, a mudança da conformação de uma mola sob uma carga é analisada, sendo a constan-te da mola a variável dependente. a força exercida na mola para atingir certa alteração de comprimento é determinada. Conhecendo a constante da mola, essa mudança, constitui a medida da força em ação.em relação a sensores eletrônicos, o elemento de mola de-formado pela força aplicada é essencial, no qual é neces-sário que haja uma conexão claramente definida entre a força de ação e a medida de deflexão de um corpo. essa re-lação não é necessariamente um processo linear, mas deve ser reprodutível da melhor forma possível. Isso significa que o corpo (a mola) é deformado em uma determinada quan-tidade frente a uma dada força exercida e retorna à sua for-ma original quando ela é removida. Se a deflexão durante a aplicação e retirada da carga não segue a mesma curva, isso é chamado de histerese.Uma mola de aço, quando não completamente esticada, tem uma histerese relativamente baixa. Um cristal de quart-zo pressionado tem uma histerese virtualmente nula. O quartzo se deforma sob uma carga e retorna ao seu esta-do original quando esta é removida. por exemplo, materi-ais sintéticos utilizados em tecnologia ortopédica tem uma grande histerese. Isso significa que ocorre uma deformação

ao sofrer uma aplicação de carga e o material mantém essa alteração ou demora muito tempo para recuperar seu for-mato original. esses materiais, portanto, são completamen-te inadequados para um sensor de força.em tecnologia de mensuração, diferentes métodos estão sendo utilizados para esse fim, mas o uso de cristal de quart-zo é considerado o “padrão-ouro”. Durante a fase de descar-ga de peso, o quartzo libera uma transferência de corrente de elétrons no cristal para suas camadas superficiais, e isso pode ser medido com o uso de amplificadores. Sensores de quartzo são excepcionalmente rápidos, extremamen-te lineares, e praticamente não têm histerese, porém sua desvantagem é que a transferência de corrente elétrica é muito rápida e para se medir forças estáticas é necessário estabilizá-la com amplificadores de correntes mais elabora-dos. ademais, os sensores não podem ser dispostos numa matriz densa (de alta resolução) para medir forças locais de forma precisa.a melhor opção para substituir esse material é o uso de sen-sores capacitivos (condensadores) equipados com um ele-mento de mola bem definido, conhecido como dielétrico. ao sofrer uma carga, um dielétrico sofre uma mudança de comprimento e as placas dos condensadores convergem. ao utilizar elastômeros específicos como dielétricos, a histe-rese pode ser mantida ao mínimo. a mudança de capacitân-cia dos sensores será mantida constante sob a carga, o que permite medidas estáticas. Num sistema de malha fechada, sensores capacitivos permitem uma alta resolução local da medida de força.

Da mesma forma, sensores resistivos também permitem um sistema de malha fechada. esses sensores, impressos sob-re um filme, utilizam mudanças na resistência que afetam partículas de carbono sob pressão. Todavia, sua grande des-vantagem é a falta de um elemento de mola adequado que garanta a restauração da força. pela fricção interna das par-

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tículas resistivas de carbono que são impressas, os sensores alteram sua natureza específica ao longo de cada uso. eles são altamente sensíveis à temperatura, o que influencia na sua acurácia.

Resolução EspacialDiferentes áreas de aplicação requerem sensores com di-stintos graus de resolução espacial: ou são utilizados sen-sores simples com uma superfície de medida entre 0,5 e 5 cm2, ou uma matriz de sensores com uma grade de um sensor por 4 cm2 até 16 sensores por cm2. para registrar pi-cos de pressão bem localizados, a medida sobre uma super-fície requer de quatro a nove sensores por cm2. Na maioria dos casos, resoluções maiores não são necessárias, já que o tecido adiposo distribui a carga uniformemente sobre uma área de aproximadamente 0,25 cm2. Medidas sob os dedos exigem por volta de dois a quatro sensores por cm2, pois as pontas dos dedos podem gerar forças locais bem variadas. a figura 2 mostra a medida de mudanças de preensão ma-nual ao segurar um cilindro e a figura 3 apresenta os result-ados da medida.

a força total em áreas específicas, como por exemplo, sob o hálux, é calculada somando-se as forças locais individuais. Medidas dentro do calçado (Figura 4), por exemplo, pode gerar a dúvida quanto à capacidade do calçado em gerar uma força de reação aos picos de pressão de forma precisa e localizada. Correções menores que aproximadamente um cm2 são virtualmente impossíveis, o que significa que uma resolução espacial próximo de um sensor por cm2 deve ser suficiente. Quanto a medidas sob os glúteos, as forças e pres-sões são distribuídas mais uniformemente, o que possibilita uma resolução aproximada de quatro sensores por oito cm2 ser o suficiente. Isso também se aplica a medidas em camas e outros tecidos moles, como mensurações sob curativos.

RetrospectivaCom o lançamento de produção em 1980, a novel foi a primeira empresa no mundo a desenvolver sistemas de medidas de força e distribuição de pressão comercial-mente disponíveis. TÜV Bavaria, uma das organizações de serviços técnicos mais avançados do mundo, foi o primei-ro usuário da tecnologia da novel. O campo de aplicação inicial foi na medição sob a haste da bota de ski para iden-tificar o nível de força em que a haste solta o fixador da bota. as primeiras medidas em pés diabéticos ocorreram em 1983. Desde então, essa tecnologia tem sido utiliza-da efetivamente em uma grande variedade de campos e aplicações pelo mundo. Seu emprego no corpo humano vai da cabeça aos pés, e inclui medidas em capacetes de bicicleta, máscaras faciais, e sutiãs esportivos; medidas sob as mãos, ou em sujeitos deitados sobre a mesa cirúr-

gica, sentados no carro ou em uma cadeira de rodas. as medidas também podem ser realizadas nas articulações do quadril e joelho, em órteses e próteses (Figura 4), ou sob os pés e dentro de calçados (Figura 5). para toda ap-licação, a tecnologia do sensor deve ser selecionada ade-quadamente.

Na área da saúde, medidas de força e pressão podem ser feitas apenas com sensores bem calibrados e confiáveis, assumindo-se um conhecimento preciso de suas prop-riedades físicas. por exemplo, para aplicações na área mé-dica, torna-se um pré-requisito que equipamentos médicos de classe I com funções de medida sejam produzidos com alta precisão e tenham alta confiabilidade, como é regu-lamentado pelo Medical Devices act (órgão de vigilância, como a aNVISa no Brasil). Todos esses equipamentos de-vem estar dentro dos conformes da Comunidade europeia (Ce marked).Um bom software para a análise profissional dos dados de medida é de extrema importância. entretanto, ele não deve ser utilizado para esconder tecnologias duvidosas ou inade-quadas dos sensores. as falácias de que para aplicações na saúde uma menor acurácia seria necessária são simples-mente equivocadas. O profissional da área da saúde, acima de tudo, precisa de dados confiáveis e não deveria se preo-cupar com medidas incorretas, o que é algo cotidiano para um engenheiro. a “variabilidade” de cada paciente já traz dificuldades o suficiente, e, portanto, cada medida deve ser a mais precisa e estável possível.