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Pollyanna Figueiredo Gomes
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE
MEDIÇÃO PARA ANÁLISE DA CINEMÁTICA
ESCAPULAR
Universidade Federal de Minas Gerais
Belo Horizonte
2009
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Pollyanna Figueiredo Gomes
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE
MEDIÇÃO PARA ANÁLISE DA CINEMÁTICA
ESCAPULAR
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-
Graduação em Ciências da Reabilitação do
Departamento de Fisioterapia da Escola de Educação
Física, Fisioterapia e Terapia Ocupacional da
Universidade Federal de Minas Gerais como requisito
parcial para obtenção do título de Mestre em Ciências da
Reabilitação.
Área de concentração: Desempenho Funcional Humano.
Orientadora: Prof
a
. Luci Fuscaldi Teixeira-Salmela, Ph D.
Co-Orientador: Prof. Dr. Meinhard Sesselmann.
Universidade Federal de Minas Gerais
Belo Horizonte
2009
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G631d
2009
Gomes, Pollyanna Figueiredo
Desenvolvimento de um sistema de medição para análise da cinemática escapular.
[manuscrito] / Pollyanna Figueiredo Gomes. – 2009.
77 f., enc.:il.
Orientador: Luci Fuscaldi Teixeira-Salmela
Co-orientador: Meinhard Sesselmann
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Minas Gerais, Escola de
Educação Física, Fisioterapia e Terapia Ocupacional.
Bibliografia: f. 35-39
1. Biomecânica – Teses. 2. Cinemática – Teses. 3. Escápula – Teses. I. Teixeira-
Salmela, Luci Fuscaldi. II. Sesselmann, Meinhard. III.Universidade Federal de Minas
Gerais. Escola de Educação Física, Fisioterapia e Terapia Ocupacional. IV.Título.
CDU: 612.76
Ficha catalográfica elaborada pela equipe de bibliotecários da Biblioteca da Escola de Educação Física,
Fisioterapia e Terapia Ocupacional da Universidade Federal de Minas Gerais.
ii
DEDICATÓRIA
A Deus por me fortalecer em todos os momentos.
Aos meus pais por me acompanharem de forma
incondicional em todos os caminhos que eu escolhi
traçar na minha vida.
Ao Daniel Matos pelo amor, paciência,
companheirismo e por tornar cada momento mais
especial e feliz.
A toda equipe do Centro de Estudos Metrológicos
do Laboratório de Ótica pela participação no
processo de desenvolvimento do sistema.
iii
" Aprender é a única coisa de que a mente nunca se
cansa, nunca tem medo e nunca se arrepende."
( Leonardo da Vinci )
iv
AGRADECIMENTOS
À Luci, mais do que orientadora, uma amiga, pelo exemplo de competência,
profissionalismo e dedicação. Obrigada pela oportunidade, por acreditar no meu
potencial e por tornar esse caminho, por vezes tão sombrio, mais suave.
Ao Meinhard pela confiança, por ter me recebido e principalmente me
acolhido no Centro de Estudos Metrológicos e por acreditar e fazer concretizar o
desenvolvimento desse sistema. Obrigada pela paciência, pelas longas horas de
dedicação ao trabalho e pela ousadia de compartilhar esse projeto.
Ao Leonardo Motta e Gustavo Borges pelas infindáveis horas de discussão e
dedicação a parte de programação do sistema. Obrigada pelo carinho, consideração
e por abraçar esse sonho como se fosse seus. Esse projeto não teria se
concretizado sem a ajuda de vocês.
À Sara pelo incentivo, amizade e participação no nascimento do projeto.
Ao Fernando e Breno, amigos da engenharia, pela inestimável contribuição.
Ao Daniel Barreto pela amizade e ajuda.
Aos meus pais pelo exemplo de vida, dedicação, amor e por participarem de
todos os momentos de alegria, realização. Obrigada por sonharem junto comigo e
principalmente por estarem ao meu lado, me apoiando, a cada obstáculo.
A minha família pela torcida, compreensão e pelo apoio em todos os
momentos desse caminho.
A minha amiga e irmã Flávia pelo apoio incondicional em todo processo.
Obrigada pela amizade e por não medir esforços em todos os momentos que
precisei de você.
A todos meus amigos pela consideração e pela participação!
v
As minhas amigas do mestrado, Patrícia, Camila, Dani, Tete, Lidiane, Iza e
Aline, por compartilharem todos os desafios.
À família Teixeira-Salmela, especialmente Christina e Cristiano, pelo exemplo
de dedicação, profissionalismo, competência e pela amizade.
Aos professores e mestres do Departamento de fisioterapia, Sérgio, Gisele,
Leani, Rosângela, João Marcos, Marisa, Rosana, Verônica, minha eterna gratidão
por terem contribuído para minha formação e aprendizado não só na profissão, mas
também na vida.
Ao Daniel Matos, meu amor, meu amigo, meu companheiro, minha vida....
Obrigada por estar sempre ao meu lado e por me fazer uma pessoa feliz e melhor a
cada dia.
Esse sonho não teria se realizado sem a participação de todos vocês!
Gomes, P.F. Sumário vi
SUMÁRIO
RESUMO...................................................................................................................vii
ABSTRACT...............................................................................................................vii
Capítulo 1 - INTRODUÇÃO....................................................................................... 9
1.1 – Objetivos...................................................................................................... 16
Capítulo 2- MATERIAIS E MÉTODOS.................................................................... 18
2.1 - Delineamento................................................................................................ 18
2.2 – Amostra........................................................................................................ 18
2.3 - Instrumentação............................................................................................. 18
2.3.1 - Anteparo simulador do plano escapular................................................. 18
2.3.2 - Sistema de medição através da técnica de moiré.................................. 19
2.3.3 – Calibração do sistema de medição........................................................ 23
2.4 - Procedimentos.............................................................................................. 24
2.4.1 - Avaliação inicial...................................................................................... 25
2.4.2 - Cinemática escapular............................................................................. 26
2.4.3 - Calibração do sistema de medição ........................................................ 28
2.5 - Processamento dos Dados........................................................................... 29
2.5.1 – Cálculo do perfil tridimensional.............................................................. 29
2.5.2 – Cálculo da cinemática escapular........................................................... 31
2.5.2 – Confiabilidade Teste-Reteste ................................................................ 33
2.6 - Análise Estatística......................................................................................... 34
Capítulo 3 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................... 35
Chapter 4 – MEASUREMENT OF THE SCAPULAR KINEMATICS BY THE
FRINGE PROJECTION MOIRÉ TECHNIQUE......................................................... 40
Capítulo 5 – CONSIDERAÇÕES FINAIS................................................................ 71
ANEXO 1 – PARECER DO COMITÊ DE ÉTICA EM PESQUISA............................ 72
APÊNDICE 1 - TERMO DE CONSENTIMENTO LIVRE E ESCLARECIDO............ 73
APÊNDICE 2 – AVALIAÇÃO INICIAL..................................................................... 76
Gomes, P.F. Resumo vii
RESUMO
A avaliação da cinemática da escápula tem sido um desafio, pois seu movimento
ocorre em uma perspectiva tridimensional, além de deslizar sob a pele, dificultando
assim o uso de sistemas que requerem a utilização de marcadores de superfície. Os
métodos comumente utilizados são caros, apresentam pouca aplicabilidade clínica
e, em algumas situações, não permitem análises precisas. O objetivo deste estudo
foi investigar a aplicabilidade da técnica de moiré de projeção (TMP) para quantificar
a cinemática escapular. Seis indivíduos saudáveis foram recrutados. O sistema foi
composto por um projetor LCD, uma câmera fotográfica digital e um
microcomputador. Para obter o perfil escapular de forma automática, o método de
deslocamento de fase foi combinado a TMP. Quatro padrões de franjas foram
projetados na região escapular e quatro no plano de referência. Através de uma
subtração simples do valor do mapa de fase da referência do da escápula, pôde ser
obtido digitalmente o mapa de fase das franjas de moiré. Após a remoção do salto
de fase, o perfil tridimensional pôde ser automaticamente obtido sem a informação
prévia do objeto. O cálculo da cinemática escapular foi realizado por um software
dedicado. Em média, os movimentos de rotação lateral abrangeram -1,81º±6,09º a -
26,47°±3,5º; o de protração 28,35º±4,67º a 27,74º ±6,77º, e de inclinação posterior -
6,39º±7,77º a -21,71º±6,08º. Os ICCs(3,1) abrangeram 0.92 a 0.997 e o erro máximo
estimado foi de 0,80%. A TMP permitiu a medição da cinemática escapular de forma
digital, automática e sem contato. Suas principais vantagens se comparado aos
outros sistemas existentes são sua configuração simples, a utilização de
componentes ópticos padrões e sua aplicabilidade clínica.
Palavras-chave: Técnica de moiré de projeção, deslocamento de fase, cinemática
escapular, biomecânica, sistemas ópticos.
Gomes, P.F. Abstract viii
ABSTRACT
The assessment of the scapular kinematics is difficult due to its peculiar feature of
sliding under the skin, making difficult the use of systems that require surface
markers. The most commonly employed methods are costly, use sophisticated
equipments, and have low clinical application. The aim of this study was to
investigate the applicability of the moiré projection technique (MPT) to quantify the
scapular kinematics of six healthy subjects. The system was composed of a LCD
projector, a digital photographic camera, and a microcomputer. To automatically
obtain the scapular profile, the phase shifting method was combined with the MPT.
Four fringes were projected on the scapula and four on the reference plane. By
simple subtraction of the reference values from the scapular phase maps, the phase
map due to the moiré fringes could be obtained digitally. After the phase unwrapping,
the 3D profile could be automatically obtained without prior information of the object.
The calculations of the scapular kinematics were carried out using dedicated
software. On average, the movements of lateral rotation ranged from -1.81º±6.09º to
-26.47°±3.5º; the protraction from 28.35º±4.67º to 27.74º ±6.77º, and the posterior tilt
from -6.39º±7.77º to -21.71º±6.08º. The ICCs ranged from 0.92 to 0.997 and the
maximum estimated error was 0.80%. The MPT allowed the scapular 3D
measurements to be obtained in a digital, automatic, and non-contact manner. Its
main advantages compared to other existing systems were its ease in setting-up, the
use of standard optical components and its possible clinical applications.
Keywords: Moiré projection technique, phase shift, scapular kinematics,
biomechanics, optical system.
Gomes, P.F. Introdução 9
Capítulo 1 - INTRODUÇÃO
Os membros superiores (MMSS) possuem uma capacidade única de
movimentação, o que permite que a mão alcance qualquer ponto do espaço e
realize atividades não só de precisão, mas também de força
1,2
. Essa extensa gama
de movimentos só é possível devido às peculiaridades existentes no complexo do
ombro que é capaz de fornecer uma base estável e ao mesmo tempo móvel para
desempenhar as diversas demandas impostas por atividades tanto cotidianas
quanto esportivas
1,2
. Conseqüentemente, um melhor entendimento da cinemática e
das relações musculares existentes nesse complexo é essencial para que o
terapeuta avalie e tome decisões em relação às intervenções mais indicadas para as
disfunções que comumente afetam essa região
3,4
.
A análise da cinemática escapular tem grande importância no estudo das
disfunções do complexo do ombro, devido à dependência funcional de todas as
articulações que formam esse complexo e da importância dos movimentos da
escápula na manutenção da integridade e da estabilidade do ombro
1-3
. O movimento
do complexo do ombro é resultado da interação coordenada das articulações
esternoclavicular, acromiclavicular, glenoumeral e da articulação funcional
escapulotorácica, bem como dos respectivos músculos envolvidos nessas
articulações
1-3
. Para que os inúmeros movimentos dos MMSS ocorram todas estas
articulações devem funcionar em sincronismo
1-4
.
A única união entre a extremidade superior e o tórax é a pequena articulação
esternoclavicular, o que confere ao ombro a maior mobilidade de todas as
articulações do corpo e isso é alcançado à custa da estabilidade estrutural
3,5
. Uma
menor estabilidade estrutural implica em uma maior necessidade de uma
estabilidade dinâmica, que é atribuída em grande parte à articulação
escapulotorácica
4
. Por esse motivo, a escápula e seus respectivos músculos
desempenham um papel fundamental na manutenção da integridade e do
funcionamento do complexo do ombro
3,5
. Três grandes funções são atribuídas à
escápula e todas estão relacionadas à estabilidade dinâmica dessa região
3,5,6
. A
primeira é a manutenção de uma congruência ótima entre a cabeça umeral e a fossa
glenóide, proporcionando uma base estável para a articulação glenoumeral. A
segunda função é fornecer uma base para inserção muscular, assim seus músculos
estabilizadores inserem no seu aspecto medial, controlando sua posição
3,5,6
. E
Gomes, P.F. Introdução 10
finalmente, é fornecer uma conexão do tronco e membros inferiores à região
proximal do corpo, sendo responsável assim pela transmissão das forças
provenientes da parte distal
5,6
.
Há aproximadamente 14 músculos que circundam a escápula e que são
responsáveis por manter a relação da articulação escapulotorácica e glenoumeral
7-9
.
Todos esses músculos representam um ponto importante da cadeia cinemática, pois
trabalham em sinergismo para assegurar que a escápula desempenhe suas
funções
5,6,10
. Assim, qualquer disfunção desses músculos pode resultar em
diminuição da efetividade da estabilização
9,11,12
. Isso implica que o estudo das
relações existentes entre esses músculos, bem como o respectivo posicionamento
da escápula durante os movimentos dos MMSS pode esclarecer como alterações do
padrão de movimento estão associadas com as disfunções presentes nessa
região
4,9,11,12
.
Estudos demonstram que uma falha na estabilização da escápula,
resultando em um mau alinhamento daquela em relação ao úmero está relacionada
a disfunções do ombro, tais como uma diminuição do espaço subacromial e a
síndromes de impacto
12-15
, instabilidades atraumáticas
16-19
e dores
20,21
. Abordagens
que utilizam fortalecimentos e alongamentos focados na musculatura estabilizadora
e na melhora do posicionamento escapular têm se mostrado efetivas para o
tratamento das disfunções do ombro
12,22
, além de melhorarem o posicionamento
escapular em indivíduos assintomáticos
23,24
.
Além disso, observações clínicas sugerem que grande parte das disfunções
desse complexo ocorrem devido a alterações da coordenação do movimento
escapular, o que resulta em um movimento anormal
5,6,12
. Tal anormalidade é
considerada uma fonte potencial de disfunção, pois a partir do momento que a
escápula deixa de ser uma base estável para contração muscular, bem como para o
deslizamento da cabeça do úmero na fossa glenóide, várias compensações ocorrem
para que os movimentos dos MMSS sejam realizados, o que pode resultar em dor e
conseqüente comprometimento da funcionalidade
4,12
. O mau alinhamento da
escápula durante o movimento dinâmico frequentemente é associado à fraqueza ou
controle neuromuscular impróprio do serrátil anterior bem como do músculo
trapézio
5,6,12,13
. Kendall et al.
25
sugeriram que um alinhamento defeituoso resulta em
sobrecarga e tensão muscular sobre as articulações e que a avaliação da posição
articular indica quais músculos estão em posição alongada ou encurtada, auxiliando
Gomes, P.F. Introdução 11
na execução da avaliação clínica. Para a realização de medidas objetivas dessas
alterações é essencial que existam métodos de quantificação do posicionamento
escapular que sejam sensíveis para avaliar e medir as alterações ao longo do
tempo
26,27
.
Uma forma de avaliar o alinhamento escapular bem como o sincronismo dos
seus músculos estabilizadores é através do ritmo escapuloumeral, que engloba a
relação entre os movimentos de todas as articulações do complexo do ombro
durante a elevação dos MMSS
9
. De acordo com o estudo clássico de Inman et al.
9
,
durante o movimento de elevação do braço, há uma ação simultânea de todas as
articulações, sendo que durante os primeiros 60º do movimento, a escápula se move
minimamente a fim de assumir uma posição para proporcionar estabilidade ao
úmero
9
. A partir dessa posição, a relação entre o movimento da escápula e do
úmero se torna constante e ocorre numa proporção de 2:1 entre a abdução da
glenoumeral e a rotação da escapulotorácica
9
. Assim, o entendimento do movimento
funcional associado ao complexo do ombro tem grande relevância clinica para
avaliação e elaboração das intervenções relacionadas aos comprometimentos
musculares dessa região
28,29
.
Todavia, a análise cinemática da escápula é uma tarefa complicada e tem
sido um grande desafio, uma vez que seu movimento ocorre em uma perspectiva
tridimensional, perfazendo cinco graus de liberdade, três eixos rotacionais e dois
translacionais, além do mais, esta desliza sob a pele durante seu movimento
dificultando assim a utilização de marcadores de superfície
30
. Devido a essa
complexidade, muitas estratégias de avaliação têm sido desenvolvidas a fim de
contornar essas dificuldades, entretanto, a maior parte utiliza equipamentos
sofisticados, com alto custo, que requerem treinamento para aplicação
7,10,13,15,31,32
e
muitas vezes são invasivos
30,33-35
, o que torna sua aplicação clínica inviável
26
. Ainda
assim, quando se utilizam métodos não invasivos, a movimentação da pele imprime
erros sistemáticos na medida e dificulta a precisão dos resultados, obrigando a
utilização de resultados restritos a modelos de correção de erros
30
.
Além disso, os vários estudos que analisaram a cinemática escapular
apresentaram resultados heterogêneos
35,36
, devido às diferenças metodológicas. As
maiores diferenças foram relacionadas aos instrumentos utilizados para medir os
movimentos escapulares, aos eixos que são tomados como referência, à forma de
descrever os movimentos, ao posicionamento do indivíduo e o plano de referência
Gomes, P.F. Introdução 12
utilizado durante o teste
36
. Para solucionar os problemas de padronização, a
Sociedade Internacional de Biomecânica, juntamente com o Grupo Internacional de
Ombro definiu sistemas de coordenadas articulares para facilitar a comunicação e a
comparação dos resultados das pesquisas, evitando assim as ambigüidades em
relação aos movimentos escapulares e na determinação do sistema de coordenadas
locais
37,38
.
Vários estudos utilizaram medidas bidimensionais tanto para análises
dinâmicas quanto estáticas. Os instrumentos mais utilizados nesse caso foram: o
goniômetro
39
, a fita métrica
40
, o inclinômetro
41
, o RX
33
, a fluoroscopia
34
e a filmagem
de marcas ósseas
8
, sendo que a fluoroscopia e o Rx foram os únicos métodos que
permitiram uma análise dinâmica. Apesar do goniômetro, do inclinômetro e da fita
métrica serem instrumentos simples e passives de utilização na clínica, eles
fornecem somente informação sobre o movimento de rotação superior da escápula
que é apenas um dos cinco possíveis movimentos que ocorrem nessa região, não
capturando assim a complexidade do movimento escapular
39-41
. A desvantagem do
uso do fluoroscopia e do RX está na necessidade da exposição dos indivíduos a
uma radiação, o que torna o método pouco aplicável em avaliações cotidianas para
acompanhamento da evolução do tratamento
33,34
.
Dentre as medidas tridimensionais disponíveis, a utilização do sistema
eletromecânico
7,13
, marcadores infravermelhos
42
, e de imagens digitalizadas
8
são
citados como métodos de avaliação tridimensional estática. Além desses, o sistema
de ultrassom
43
e o sistema eletromagnético
10,31,35,41,44,45
são citados como métodos
de avaliação tridimensional dinâmica, sendo que o sistema eletromagnético é o mais
utilizado para avaliação da cinemática escapular. A desvantagem da análise
estática está no fato de que uma postura sustentada em um grau específico da
amplitude de movimento não representa um padrão de movimento funcional
dinâmico
7,13
. Já os sistemas eletromagnéticos têm sido amplamente utilizados na
análise do movimento dinâmico; entretanto, estudos reportaram uma adequada
validade somente até 120º de abdução, sendo que valores de até 32% de erro foram
encontrados quando se considerou toda amplitude de movimento
30,35
. Outra
desvantagem é o custo e a pouca aplicabilidade clínica do
instrumento
10,30,31,35,41,44,45
.
Um outro método reportado na literatura que permite a avaliação
tridimensional tanto estática quanto dinâmica da escapula é a técnica de moiré de
Gomes, P.F. Introdução 13
sombra. Warner et al.
16
foram os únicos a utilizarem tal técnica para avaliar
qualitativamente o posicionamento estático e dinâmico da escápula em indivíduos
saudáveis, com instabilidade e síndrome do impacto. Através da análise dos
padrões de franjas produzidos pelo efeito de moiré, os examinadores classificaram o
grau de assimetria da escápula
16
. Os autores concluíram que tal técnica pareceu ser
mais sensível do que a simples observação clínica para detecção de disfunção da
articulação escapulotorácica
16
. Entretanto nenhuma análise quantitativa foi realizada.
Há a necessidade não só da padronização da forma de avaliação do ritmo
escapuloumeral, mas também do estudo de métodos alternativos que forneçam
informação tridimensional estática e dinâmica, sejam de fácil aplicação e baixo
custo, permitindo sua utilização também no contexto clínico
26,28
. Nesse sentido, a
técnica de moiré parece ser uma alternativa por atender a todos esses
prerrequisitos
16,46-49
. Trata-se de um método de medição tridimensional da
deformação de superfícies amplamente utilizado na engenharia. Este método
explora o efeito de moiré, um fenômeno óptico, resultante da superposição de um
padrão de franja de uma referência e um padrão de franja gerado na superfície do
objeto a ser analisado. O modelo matemático do efeito de moiré segue os mesmos
princípios do modelo de interferência de ondas eletromagnéticas
46,50,51
.
A técnica de moiré já vem sendo utilizada na área biomédica para a medição
de postura
48,52,53
, escoliose
47,54
, arco plantar
49,55,56
e posicionamento do ombro
artrodesado
57
. Takasaki
58
foi o primeiro a desenvolver essa técnica para utilização
na área da saúde e desde essa época vem sendo utilizada no Japão como um
método alternativo para detecção precoce de escoliose em crianças
59
. É consenso
entre os estudos que a técnica possui uma superioridade na avaliação tanto
quantitativa quanto qualitativa em relação aos métodos de avaliação clínica, pois
permite uma caracterização acurada da superfície analisada através da informação
de fase presente nos padrões moiré, a qual é inerente à geometria da superfície em
estudo. Além disso, é um método não invasivo, sem contato, não provoca efeitos
colaterais e possui aplicabilidade clínica
16,46-49
.
Dentre as técnicas de moiré destacam-se: o de sombra e o de projeção
52
.
Tradicionalmente o moiré de sombra tem sido o mais utilizado por ser a forma mais
simples de se produzir o efeito moiré
16,47-49
. Neste caso, o fenômeno óptico é
produzido através da projeção de uma fonte de luz em uma grade física constituída
de linhas horizontais ou verticais
52
. A superposição entre a luz, as franjas produzidas
Gomes, P.F. Introdução 14
pela grade (franjas primárias) e pela sombra das mesmas no objeto de estudo,
produz o efeito de moiré (franjas secundárias), o qual varia conforme a geometria
avaliada
52
. O padrão resultante é semelhante às linhas de contorno utilizadas em
mapas topográficos, em que cada linha representa um nível ou profundidade
16,47-49
.
A desvantagem dessa técnica é a necessidade da utilização da grade física que
limita o tamanho da superfície analisada, por vezes, pode produzir uma sombra
indesejada na superfície e necessita que a grade seja constituída de linhas bem
finas
16,47-49
.
As franjas de moiré são ambíguas, ou seja, não é possível distinguir apenas
com a informação das franjas se naquele local há um ponto de elevação ou
depressão da superfície, dificultando a quantificação da estrutura
46,56
. Para eliminar
essa ambigüidade do sinal do perfil, costuma-se combinar a técnica de
deslocamento de fase com a técnica de moiré. Nesta combinação, é necessário
obter pelo menos três padrões de franjas, defasadas entre si, do perfil do objeto em
estudo
46,50,51,60
. No moiré de sombra, a defasagem dos padrões de franjas é obtida
através de um deslocamento vertical da grade, que para tanto necessita de um
aparato mecânico. Tal aparato deve promover um deslocamento preciso para que os
padrões de franja sejam defasados de forma adequada, o que se torna cada vez
mais difícil, na medida em que cresce o tamanho do objeto em estudo e,
conseqüentemente, o tamanho e peso da grade e do aparato mecânico
50
.
Uma forma de contornar esses problemas é a utilização da técnica de moiré
de projeção, que ao contrário do moiré de sombra, não necessita da grade física
para geração do efeito, pois as franjas são geradas digitalmente e projetadas, via
projetor LCD sobre a superfície estudada, o que permite a medição de superfícies de
maior tamanho
46,50,51
. A ausência da grade física permite a incorporação da técnica
de deslocamento de fase de forma mais robusta, já que o deslocamento lateral dos
padrões de franja é obtido digitalmente, sem a necessidade de peças móveis. A
desvantagem é que o método de deslocamento de fases apesar de viabilizar a
quantificação mais precisa da deformação da superfície, dificulta a analise
quantitativa dinâmica, pois necessita que vários padrões de franjas sejam projetados
no objeto antes que ele se mova
46,50,51,60
. Mesmo assim, a utilização da técnica de
moiré de projeção combinada à técnica de deslocamento de fase pode ser uma
opção atrativa para análise da cinemática escapular, pois fornecem uma nuvem de
pontos das coordenadas tridimensionais da superfície sem a necessidade de
Gomes, P.F. Introdução 15
tecnologias sofisticadas, além de garantir uma alta sensibilidade das medições,
aumentando assim a exatidão da medida e sua precisão.
Torna-se necessário, então, a realização de pesquisas metodológicas que
envolvem o desenvolvimento e o teste de instrumentos de medição para a utilização
em pesquisas e na clínica
61
. Essa abordagem define os métodos de medição
utilizáveis para quantificar os desfechos dos estudos (mensurandos) que envolvem a
avaliação da efetividade de um tratamento bem como das intervenções utilizadas na
prática clínica
61
.
Entretanto, desenvolver um novo instrumento envolve um processo longo e
extensivo, que começa com a definição do que será medido (medida física ou
funcional) e com a operacionalização de como medir. A partir daí deve-se construir
um protótipo do instrumento de medição para aquele mensurando e testar a
aplicabilidade do mesmo
61,62
.
Inicialmente, duas propriedades das medidas devem ser estabelecidas, a
exatidão da medida (validade) e a sua repetitividade (confiabilidade)
61,62
. De acordo
com vocabulário internacional de metrologia
63
exatidão da medida é o grau de
concordância entre o valor real e o valor medido e sua repetitividade é o grau de
concordância de medidas sucessivas de um mesmo mensurando, sob as mesmas
condições de medição, mesmo examinador e um curto período de tempo
63
.
Na área da saúde essa duas propriedades são chamadas validade e
confiabilidade, respectivamente
61,62
. Uma das formas utilizadas na área de saúde
para validar um sistema novo de medição é comparar os resultados das medidas do
novo instrumento com as de outro instrumento que já é utilizado para aquele
propósito, ou que seja considerado o padrão-ouro para realização de tal medida
61,62
.
A confiabilidade, por sua vez, é considerada o primeiro requisito de uma
medida e está relacionada com a repetitividade, ou seja, qual a variabilidade
existente em medidas sucessivas realizadas por um mesmo instrumento em
condições iguais
61,62
. A utilidade dos instrumentos em pesquisas clínicas ou nas
decisões clínicas depende do quanto o pesquisador ou o terapeuta podem confiar
nos dados obtidos. Num sistema de medição confiável, a medida reflete uma
variabilidade verdadeira, mas também algum erro. Existem três fontes de erros que
devem ser considerados quando se avalia a confiabilidade da medida: o erro do
instrumento, a estabilidade do que esta se medindo e a variabilidade proveniente da
falta de padronização entre os examinadores
62,64
.
Gomes, P.F. Introdução 16
Além disso, é necessário também instituir a relevância daquela medida para a
condição específica do paciente e do tratamento, ou seja, o instrumento também
deve ser testado num contexto específico para que possa servir como guia para
decisões clínicas. Os instrumentos devem ser testados nos indivíduos específicos e
nos contextos específicos para que os achados sejam significativos clinicamente
62,64
.
Considerando a influência potencial da postura da escápula na estabilidade
do complexo do ombro
12,23,24,26
e as evidências existentes de uma associação entre
as anormalidades da cinemática escapular e as várias patologias dessa região, é
imprescindível que os profissionais incluam em suas avaliações o posicionamento
tridimensional da escápula
12,13-19,28
. Assim, o desenvolvimento de instrumentos que
permitam a detecção e a avaliação das mudanças cinemáticas decorrentes de uma
intervenção apresenta grande importância no cotidiano do clínico. Grandes esforços
devem ser feitos para o desenvolvimento de métodos que permitam uma análise
tridimensional quantitativa e confiável do posicionamento escapular, que possam ser
utilizados não só em laboratórios, mas também na clínica, não sejam invasivos e
sejam de baixo custo.
Para tanto foi estabelecida uma parceria com o Departamento de Engenharia
Mecânica da Universidade Federal de Minas Geral (UFMG) a fim de se desenvolver
e testar a confiabilidade de um instrumento baseado nas técnicas de moiré de
projeção e deslocamento de fase, que permita a avaliação tridimensional da
cinemática da escápula.
1.1 – Objetivos
O objetivo principal deste trabalho foi desenvolver um sistema de medição
sem contato baseado nas técnicas de moiré de projeção e deslocamento de fases,
capaz de efetuar uma análise quantitativa da cinemática escapular de seres
humanos em um ambiente clínico.
Para atingir o objetivo principal, os seguintes objetivos específicos foram
definidos:
Implementar e testar um software dedicado para integrar os componentes
eletrônicos e óptico-mecânico do sistema de medição;
Implementar e testar um software dedicado para a obtenção do perfil
tridimensional da região posterior do tórax;
Gomes, P.F. Introdução 17
Desenvolver um software dedicado para o reconhecimento das escápulas
a partir do perfil tridimensional medido;
Calcular e apresentar os resultados em forma de ângulos de rotação
escapular, utilizando a matriz angular de Euller do sistema de
coordenadas da escápula em relação ao do tórax, conforme as
recomendações da Sociedade Internacional de Biomecânica;
Efetuar um estudo metrológico do sistema proposto, por módulos, com o
objetivo de qualificar suas principais fontes de incerteza e quantificá-las
adequadamente;
Quantificar a tendência e a incerteza da medição do perfil tridimensional
através de uma calibração para corrigir os efeitos sistemáticos no
processamento do sistema;
Correlacionar e determinar a diferença entre as medidas fornecidas pelo
sistema de medição desenvolvido e os fornecidos por um sistema padrão
(micrômetro);
Determinar a repetitividade (confiabilidade teste-reteste) dos ângulos
escapulares obtidos a partir do perfil tridimensional;
Integrar todos os módulos de software acima citados em um único
programa, capaz de executar as funções necessárias do sistema de
medição proposto.
Gomes, P.F. Materiais e Métodos 18
Capítulo 2- MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 - Delineamento
Para realização deste trabalho, foi utilizado o desenho de pesquisa
metodológica para determinação da confiabilidade teste-reteste (repetitividade) e
para uma análise metrológica do sistema de medição
61
. Este estudo foi realizado em
parceria com o departamento de Engenharia Mecânica da UFMG e toda a coleta de
dados foi realizada no Laboratório de Ótica localizado no Centro de Estudos
Metrológicos, após a aprovação pelo Comitê de Ética em Pesquisa da UFMG sob o
parecer nº ETIC 580/07 (Anexo A).
2.2 – Amostra
A amostra utilizada foi composta por seis indivíduos de ambos os sexos,
recrutados na comunidade. Para participação no estudo, os seguintes critérios de
inclusão foram considerados: ter idade variando de 20 a 40 anos, não apresentar
queixas de dor ou relato de lesões no complexo do ombro e coluna cervical, não ter
sido submetido a nenhuma cirurgia no ombro, não apresentar limitação da
mobilidade articular dos MMSS, não ter alterações congênitas nos MMSS, não
apresentar qualquer tipo de patologia ou limitação física que impedisse a realização
do estudo e ser capaz de compreender os testes.
2.3 - Instrumentação
2.3.1 - Anteparo simulador do plano escapular
O anteparo simulador do plano escapular é um equipamento que garante o
posicionamento dos MMSS no plano escapular e guia o movimento durante a
elevação dos MMSS. Esse equipamento possui dispositivos com graduação, para
adequação de altura e largura das dimensões corporais dos voluntários, bem como,
adequação do posicionamento para a cintura escapular, a fim de garantir o correto
posicionamento e a padronização da postura durante a execução do movimento
65
.
O anteparo foi utilizado para padronizar o grau de abdução dos MMSS e
garantir o seu posicionamento no plano escapular (40º de adução horizontal, em
Gomes, P.F. Materiais e Métodos 19
relação ao plano frontal) durante o teste, que é descrito como sendo o mais
funcional para a avaliação dos movimentos de MMSS
28,30,35
.
2.3.2 - Sistema de medição através da técnica de moiré
Para análise da cinemática escapular durante o movimento quasi-estático de
elevação dos MMSS, foi desenvolvido um sistema de medição óptico-mecânico
baseado na técnica de moiré de projeção e deslocamento de fase.
O fenômeno óptico produzido pela técnica de moiré de projeção, usualmente
classificado como uma interferência mecânica, foi gerado pela superposição digital
de imagens de duas grades projetadas e foi processado através de algoritmos
computacionais implementados para o sistema proposto. A primeira grade é obtida
pela projeção, via projetor LCD, de franjas (linhas verticais ou horizontais) num plano
de referência (FIG. 1), enquanto a segunda grade é obtida pela projeção do mesmo
padrão de franjas na superfície em estudo.
Para visualizar melhor o fenômeno observado, foi utilizado, como exemplo,
uma superfície semi-esférica (FIG. 2). Quando projetadas numa superfície plana, as
franjas observadas continuam retilíneas. No entanto, quando projetadas num objeto
com superfície semi-esférica, as franjas observadas sofrem uma distorção
relacionada com a curvatura da superfície, ao ângulo de projeção e ao ângulo de
observação (FIG. 2).
FIGURA 1: Franjas retilíneas projetadas no plano de referência.
Gomes, P.F. Materiais e Métodos 20
FIGURA 2: Franjas projetadas em uma superfície semi-esférica.
Após digitalizar, essas duas imagens foram superpostas por algoritmos de
software revelando um padrão de franjas secundárias, chamadas franjas de moiré
(FIG. 3), que contém a informação tridimensional acerca do objeto observado. A
descrição matemática para o padrão de moiré resultante da superposição de grades
senoidais é a mesma descrita para a interferência de padrões de ondas
eletromagnéticas
52,46
.
FIGURA 3: Mapa de fase de moiré.
Entretanto, as franjas de moiré mostradas na figura 3 são ambíguas, ou seja,
não é possível saber somente pelas franjas secundárias se naquele local há uma
informação que contém um ponto de elevação ou de depressão da superfície do
objeto estudado, ou, se a origem das franjas concêntricas representa um pico ou um
vale. Em outras palavras, um corpo semi-esférico convexo gera o mesmo padrão de
franjas moiré que um corpo semi-esférico côncavo.
Gomes, P.F. Materiais e Métodos 21
Para solucionar a ambigüidade das franjas secundárias, a técnica de
deslocamento de fase foi combinada à técnica de moiré. Esta consiste basicamente
em projetar quatro padrões de franjas retilíneas com uma defasagem de 90º entre
cada padrão (FIG. 4). A partir dessas quatro imagens defasadas entre si, é possível
obter o mapa de fase do objeto e da referência, respectivamente. Um mapa de fase
proporcional ao perfil tridimensional do objeto é obtido através da subtração do
mapa de fase da referência do mapa de fase do objeto. Nota-se que após a
aplicação da técnica de deslocamento de fase é obtido um mapa de fase das franjas
de moiré que contém toda informação do perfil observado, incluindo a amplitude e o
sinal. Em seguida, cálculos para determinação da informação tridimensional foram
realizados considerando os princípios físicos da óptica, levando em consideração os
parâmetros óptico-mecânicos do sistema de medição
46,52
(FIG. 5). Todos esses
cálculos foram feitos por um software desenvolvido na linguagem de programação
Visual C®, especificamente para este projeto.
FIGURA 4: Franjas deslocadas 90° entre si - da esquerda para direita 0°, 90°,
180° e 270°.
FIGURA 5: Imagem tridimensional da superfície semi-esférica.
Gomes, P.F. Materiais e Métodos 22
O sistema de medição óptico-mecânico desenvolvido foi composto por uma
câmera fotográfica digital com resolução de oito megapixels e um zoom óptico de
dez vezes, um projetor LCD e um microcomputador. O sistema foi configurado de tal
forma que o projetor LCD iluminou e projetou o padrão de franjas na superfície em
estudo, a câmera foi posicionada abaixo do projetor LCD e foi alinhada com a lente
do mesmo, de forma a observar a superfície ortogonalmente ao seu ponto central e
o microcomputador controlou tanto o projetor, quanto a câmera (FIG. 6). Padrões de
franjas, compostos por linhas senoidais horizontais, que mediam 6,9 mm, foram
gerados digitalmente e projetados sobre a superfície a ser medida (FIG. 7). Como
plano de referência, utilizou-se um espelho de 100 cm de largura X 60 cm de altura
revestido por uma tinta branca fosca (FIG. 8).
FIGURA 6: Esquema de montagem do sistema de medição da técnica de moiré
FIGURA 7: Padrão de franjas composto por linhas horizontais gerados digitalmente
Superfície de
Estudo
Projetor
LCD
Câmera
Digital
Microcomputador
Gomes, P.F. Materiais e Métodos 23
FIGURA 8: Plano de referência
2.3.3 – Calibração do sistema de medição
Para determinar a exatidão das medidas e calibrar o sistema proposto de
medição do perfil tridimensional, foi utilizado uma placa plana de metal do tamanho
de 350mm de largura por 500mm de altura, revestida por tinta branca fosca. Esta
placa foi fixada por um imã e montada numa guia de deslocamento linear. À guia de
deslocamento linear está acoplado um parafuso micrométrico com faixa de operação
de 0 a 60mm e com capacidade de posicionamento micrométrico (FIG. 9).
Comparando as leituras fornecidas pelo sistema proposto com as leituras do sistema
padrão (micrômetro), foi possível verificar a exatidão da medida. Além disso, foi
possível efetuar uma calibração direta do sistema
66
e assim estimar a tendência e a
repetitividade do sistema de medição proposto.
FIGURA 8: Plano de metal (esquerda) e suporte magnético (direita)
Gomes, P.F. Materiais e Métodos 24
FIGURA 9: Guia de deslocamento linear e parafuso micrométrico
2.4 - Procedimentos
Os participantes foram previamente esclarecidos sobre os objetivos do estudo
e sobre o protocolo de investigação e assinaram o termo de consentimento livre e
esclarecido (APÊNDICE A).
Inicialmente, os participantes foram solicitados a vestir a parte superior de um
biquíni no caso das mulheres ou a retirar a camisa no caso dos homens, a fim de
expor a área da cintura escapular e facilitar o processo de avaliação. Em seguida, foi
realizada uma entrevista individual para a coleta dos dados demográficos e
antropométricos e para uma avaliação física (APËNDICE B). Durante a avaliação
física, foram colocados marcadores de superfície na sétima vértebra cervical (C7),
na décima segunda vértebra torácica (T12), no ângulo do acrômico (AA), espinha da
escápula (EE) e no ângulo inferior da escápula (AIE) de ambos os lados (FIG. 10).
Estes marcadores foram utilizados para facilitar a identificação destes pontos
durante o processo de calibração do software dedicado para o reconhecimento das
escápulas. Em seguida as seguintes distâncias foram medidas, através de uma fita
métrica: distância AA a EE, EE a AIE e AA a AIE de ambas as escápulas.
Gomes, P.F. Materiais e Métodos 25
FIGURA 10: Posicionamento dos marcadores de superfície.
2.4.1 - Avaliação inicial
O indivíduo foi solicitado a retirar o calçado, a fim de se evitar compensações
posturais. Em seguida, foi posicionado em ortostatismo junto ao anteparo simulador
do plano escapular, considerando um ângulo de 40º em relação ao plano frontal,
com os cotovelos estendidos e as palmas das mãos voltadas para a superfície do
mesmo (FIG. 11). O indivíduo foi solicitado a assumir o posicionamento mais
confortável para manter uma postura estável durante o movimento e esta postura foi
mantida durante toda a coleta.
FIGURA 11: Posicionamento junto ao anteparo simulador do plano escapular –
Adaptado de Moraes et al.
65
.
Gomes, P.F. Materiais e Métodos 26
A partir daí, o indivíduo foi solicitado a permanecer na sua postura relaxada
para realização de uma avaliação postural. Em seguida, foi solicitado a realizar o
movimento de elevação e retorno da elevação, para realização da avaliação clínica,
segundo Kibler et al.
28
, para caracterização da cinemática escapular, incluindo
registro fotográfico da postura corporal de pé e a filmagem do movimento, utilizando
a câmara digital MAVICA MVC-FD 200 (Sony Electronics, Inc.
©
, San Diego, CA).
2.4.2 - Cinemática escapular
Para a coleta da cinemática escapular durante o movimento quasi-estático de
elevação dos MMSS, foi utilizado o sistema de medição óptico-mecânico baseado
nas técnicas de moiré de projeção e deslocamento de fase.
Primeiramente, o plano de referência foi posicionado no mesmo local e altura
do participante a fim de realizar as medidas da referência, que posteriormente foram
utilizadas para o cálculo do perfil tridimensional da região posterior do tórax do
participante. No momento em que a referência foi posicionada, foram ajustados o
foco e o zoom do projetor e da câmera fotográfica. Em seguida, com ausência de luz
ambiente, foram adquiridas quatro fotos referentes aos quatro padrões de franjas
primárias, defasados 90º entre si (FIG. 12). Foi capturada também uma foto para
calibração da sensibilidade do sistema.
FIGURA 12: Foto da referência com padrão de franjas com defasagem 0º.
Gomes, P.F. Materiais e Métodos 27
Após a gravação automática das fotos da referência no computador, o
indivíduo foi reposicionado junto ao anteparo simulador do plano escapular, sendo
orientado quanto à execução do movimento de elevação dos MMSS até o limite final
do arco de movimento, utilizando o anteparo simulador como guia. O participante foi
orientado a realizar o movimento o mais natural possível, movendo os MMSS de 30º
em 30º até completar todo o movimento. Toda vez que o participante atingia a
angulação desejada, este era orientado a parar e a sustentar o movimento. Neste
momento, realizou-se a aquisição referente aos quatro padrões de franjas primárias
da região posterior do tórax do participante.
O participante foi orientado a permanecer imóvel durante aproximadamente
quatro segundos, prazo necessário para a captura das imagens. Como forma de
padronização as fotos foram feitas no final de uma expiração a volume corrente. O
participante foi então orientado a realizar inspirações e expirações a volume corrente
e assim que estivesse preparado, ou seja, no final de uma expiração, foi orientado a
sinalizar com um dedo, neste momento foram projetados os padrões de franjas e
capturadas as quatro fotos. Foram realizadas um total de quatro fotos a cada 30º do
arco do movimento (FIG. 13). Toda coleta durou em torno de 30 minutos.
FIGURA 13: Foto do participante durante o movimento de elevação dos MMSS.
Antes de iniciar a coleta, foi dada a oportunidade ao indivíduo para executar o
movimento, para que o examinador conferisse se o mesmo entendeu as orientações
dadas, sendo possível a correção dos procedimentos realizados erroneamente.
Todas as informações coletadas foram gravadas e armazenadas em um
computador, para posterior processamento e análise.
Gomes, P.F. Materiais e Métodos 28
2.4.3 - Calibração do sistema de medição
Para estimar a incerteza de medição da metodologia utilizada foram
consideradas: a incerteza gerada pelo próprio sistema de medição (perfil
tridimensional), os efeitos da intervenção do operador (variabilidade na seleção dos
pontos anatômicos da escápula no perfil tridimensional) e a variabilidade do próprio
mensurando (postura do indivíduo)
61
. Todas as fontes de incerteza podem ser
expressas em mm das coordenadas cartesianas dos pontos da escápula como,
também, em graus dos ângulos de rotação na matriz angular de Euller. Por razões
de simplicidade, a comparação da contribuição de cada uma das fontes de incerteza
foi realizada em mm, embora o resultado final da medição seja uma matriz de
rotação com unidade em graus.
A primeira fonte de incerteza foi estimada através de uma calibração direta
66
.
Um plano de metal com uma das faces recoberta por tinta branca fosca foi fixado a
um suporte magnético e em seguida posicionado na guia de deslocamento linear,
que foi previamente calibrada (FIG. 14).
Então, partindo da posição de 0 milímetros (mm), a guia foi deslocada de 10
em 10 mm até a posição de 50 mm, em cada posição foram feitas a seqüência de
quatro fotos, correspondendo aos quatro padrões de franjas. Foram feitas quatro
coletas completas em cada posição. Como o tamanho da placa de metal era
conhecida, assim como sua posição no espaço, foi possível estimar a tendência e a
repetitividade do sistema de medição proposto.
FIGURA 14: Montagem do sistema de medição da incerteza
Gomes, P.F. Materiais e Métodos 29
A segunda fonte de incerteza foi estimada usando os processamentos
delineados no capitulo 2.5.2. A terceira fonte de incerteza não foi objeto desse
estudo.
2.5 - Processamento dos Dados
2.5.1 – Cálculo do perfil tridimensional
Todo o processamento das imagens obtidas através da metodologia estudada
foi realizado por um programa dedicado de processamento de imagens desenvolvido
especificamente para este estudo, o qual reuniu todas as rotinas computacionais
necessárias para o cálculo do perfil tridimensional da imagem a partir das imagens
bidimensionais em escala de cinza fornecidas pelas técnicas de moiré de projeção e
deslocamento de fase, utilizando a linguagem de programação Visual C®
46
.
De uma forma resumida, o processamento foi feito da seguinte forma: foram
carregadas as quatro imagens defasadas da referência (FIG. 15), assim como as
quatro imagens defasadas do indivíduo (FIG. 16); foram feitos cálculos do mapa de
fase das imagens e em seguida foi feita a diferença entre os mapas de fase da
imagem da referência e do indivíduo, obtendo assim o mapa de fase de moiré, que
contém toda informação tridimensional da superfície (FIG. 17). A partir daí, foi feito o
cálculo de remoção do salto de fase e assim foi obtido o perfil tridimensional da
superfície em estudo (FIG. 18).
Gomes, P.F. Materiais e Métodos 30
FIGURA 15: Imagens defasadas da referência
FIGURA 16: Imagens defasadas do indivíduo
Gomes, P.F. Materiais e Métodos 31
FIGURA 17: Mapa de fase de moiré
FIGURA 18: Perfil tridimensional da superfície
2.5.2 – Cálculo da cinemática escapular
O cálculo da cinemática escapular foi realizado por rotinas desenvolvidas no
software MatLab® utilizando os dados do perfil tridimensional obtido através do
sistema de processamento das técnicas de moiré de projeção e deslocamento de
fase.
A cinemática escapular foi calculada de acordo com as recomendações da
Sociedade Internacional de Biomecânica
37
, que definiu os marcadores anatômicos,
bem como o sistema de coordenadas local e os movimentos de cada segmento
corporal, exceto pela definição da origem e do sistema de coordenadas do tórax. No
caso do sistema que foi desenvolvido, este não foi capaz de registrar o processo
xifóide e a incisura jugular que são dois dos marcadores anatômicos sugeridos para
o tórax, dessa forma foram utilizados os marcadores anatômicos C7 e T12 para
Gomes, P.F. Materiais e Métodos 32
definição do sistema de coordenadas do tórax, sendo que a origem foi determinada
em C7.
Para escápula foram utilizados os seguintes marcadores anatômicos: AA, AIE
e EE e os seguintes eixos: eixo Z formado pelo vetor que passa em EE e AA e
aponta para AA; eixo X formado pela linha perpendicular ao plano formado pelos
pontos AA, AIE e EE e aponta anteriormente e o eixo Y formado pela linha
perpendicular a X e a Z e aponta para cima
37
. Os respectivos movimentos foram
chamados da seguinte forma inclinação (tilt) anterior e posterior como os
movimentos ocorridos em torno do eixo Z; rotação lateral e medial como os
movimentos ocorridos em torno de X e protração e retração como os movimentos
ocorridos em Y
37
(FIG. 19).
FIGURA 19: Marcadores anatômicos, eixos e movimentos da escápula
Segundo as recomendações da Sociedade Internacional de Biomecânica
37
,
os cálculos em relação aos movimentos da escápula devem ser feitos em relação ao
tórax e deve ser adotada a seqüência Y-X-Z para matriz rotacional de Euller.
Gomes, P.F. Materiais e Métodos 33
Seguindo todas essas recomendações, foram desenvolvidas as rotinas
computacionais que a partir da seleção dos pontos AA, AIE e EE, bem como de C7
e T12, calcularam os movimentos da escápula em cada posição do arco de
movimento estudado (FIG. 20).
FIGURA 20: Software dedicado para o cálculo da cinemática escapular.
2.5.2 – Confiabilidade Teste-Reteste
As duas medidas para realização do cálculo da confiabilidade teste-reteste
foram feitas a partir da mesma imagem, com um intervalo de uma semana. Para
tanto foi utilizado o software dedicado para o reconhecimento das escápulas (FIG.
20). O processamento foi feito da seguinte forma: a foto da posição 0° foi carregada
e um único examinador selecionou no perfil tridimensional os pontos anatômicos de
C7 e T12, assim como os de AA, EE e AIE de ambas as escápulas, utilizando como
referência, as distâncias medidas de AA-EE, EE-AIE, AA-AIE e os marcadores que
foram colocados durante a avaliação inicial. Uma vez que o software determinou a
medida da posição 0°, esta foi utilizada como referência para auxiliar o
reconhecimento das escápulas nos demais posicionamentos dos MMSS.
Gomes, P.F. Materiais e Métodos 34
2.6 - Análise Estatística
Estatísticas descritivas (média, desvios-padrão), foram calculadas para todas
as variáveis, utilizando o pacote estatístico SPSS® (versão 13.7, SPSS Inc.).
Para a comparação entre as medidas do perfil tridimensional fornecidas pelo
sistema de medição e as do parafuso micrométrico foram utilizados testes-t para
grupos independentes e o coeficiente de correlação de Pearson. A incerteza do
sistema de medição do perfil tridimensional foi calculada por meio do coeficiente de
variação, tendência e repetitividade relativa.
Medidas de confiabilidade teste-reteste, utilizando o coeficiente de correlação
intraclasse modelo 3 (CCI), foram realizados para determinar a variabilidade na
seleção dos pontos anatômicos da escápula no perfil tridimensional e
consequentemente a repetitividade das medidas dos ângulos a partir dos pontos
selecionados. O nível de significância estabelecido foi de α<0,05.
Gomes, P.F. Referências Bibliográficas 35
Capítulo 3 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Gomes, P.F. Artigo 40
Autores: Pollyanna Figueiredo Gomes, Luci Fuscaldi Teixeira-Salmela, Meinhard
Sesselmann. A ser enviado para: Journal of Biomechanics.
http://www.jbiomech.com/authorinfo
CHAPTER 4 – MEASUREMENT OF THE SCAPULAR KINEMATICS BY THE
MOIRÉ FRINGE PROJECTION TECHNIQUE
Pollyanna F. Gomes
1
, Meinhard Sesselmann
2
, Luci F. Teixeira-Salmela
1
1
Department of Physical Therapy
2
Department of Mechanical Engineering
Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, Brazil
Corresponding Author
Luci Fuscaldi Teixeira-Salmela, Ph.D.
Associate professor
Department of Physical Therapy, Universidade Federal de Minas Gerais
Avenida Antônio Carlos, 6627 - Campus Pampulha.
31 270-901 Belo Horizonte, Minas Gerais, Brazil
Phone: 55-31-3409-7403
FAX: 55-31-3409-4783
Gomes, P.F. Artigo 41
Abstract
The assessment of the scapular kinematics is difficult due to its peculiar feature of
sliding under the skin, making difficult the use of systems that require surface
markers. The most commonly employed methods are costly, use sophisticated
equipments, and have low clinical application. The aim of this study was to
investigate the applicability of the moiré projection technique (MPT) to quantify the
scapular kinematics of six healthy subjects. The system was composed of a LCD
projector, a digital photographic camera, and a microcomputer. To automatically
obtain the scapular profile, the phase shifting method was combined with the MPT.
Four fringes were projected on the scapula and four on the reference plane. By
simple subtraction of the reference values from the scapular phase maps, the phase
map due to the moiré fringes could be obtained digitally. After the phase unwrapping,
the 3D profile could be automatically obtained without prior information of the object.
The calculations of the scapular kinematics were carried out using dedicated
software. On average, the movements of lateral rotation ranged from -1.8º±6.1º to -
26.5° ±3.5º; the protraction from 28.4º±4.7º to 27.7º ±6.8º, and the posterior tilt from -
6.4º±7.8º to -21.7º±6.1º. The ICCs ranged from 0.92 to 0.997 and the maximum
estimated error was 0.80%. The MPT allowed the scapular 3D measurements to be
obtained in a digital, automatic, and non-contact manner. Its main advantages
compared to other existing systems were its ease in setting-up, the use of standard
optical components and its possible clinical applications.
Keywords: Moiré projection technique, phase shift, scapular kinematics,
biomechanics, optical system.
Gomes, P.F. Artigo 42
1. Introduction
An adequate scapular position plays an important role in the maintenance of
the integrity and stability of the shoulder girdle (Kibler, 1998; Mottram, 1997).
Changes in its kinematics are related to the majority of the dysfunctions that
commonly affect this region (Ludewig and Reynolds, 2009). The assessment of the
scapular kinematics during the upper limb movements is clinically important, since it
can explain how changes in movement patterns are associated with shoulder
dysfunctions and then guide the elaboration of more efficient treatment plans
(Geraets et al., 2006; Nijs et al., 2007; Schmitt and Snyder-Mackler, 1999). To obtain
objective measures of these changes, it is essential that quantification methods of
the scapular kinematics are capable of capture the complexity of this movement
(Geraets et al., 2006; Nijs et al., 2007).
The quantification of the scapular kinematics remains a challenging endeavor
during clinical evaluations (Nijs et al., 2007). This is due to the fact that the scapular
movements occur from a three-dimensional (3D) perspective, with five degrees of
freedom and its peculiar feature of sliding under the skin, makes difficult the use of
systems that require surface markers (Karduna et al., 2001; McClure et al., 2001).
Because of this complexity, several evaluation strategies have been
developed, however, most of them employ costly sophisticated equipments, require
training (Illyes and Kiss, 2006; Ludewig and Cook, 2000; Lukasiewicz et al., 1999),
and are in same times invasive (de Groot, 1999; Karduna et al., 2001; Mandalidis et
al., 1999; McClure et al., 2001), which makes clinical applicability unviable.
Several studies have used two-dimensional (2D) measures for scapular
analyses, such as goniometers (Doody et al., 1970), inclinometers (Johnson et al.,
2001), and measuring tapes (T'jonck et al., 1996). Despite of their simplicity and
Gomes, P.F. Artigo 43
clinical applicability, these instruments only provide information on the movements of
lateral rotation and do not capture the complexity of the scapular movements. The
fluoroscopy and the x-rays expose the individual to radiations, which restricts the
employment of these methods from daily evaluations to follow-ups (de Groot, 1999;
Mandalidis et al., 1999). Of the available equipment for the 3D scapular analyses, the
electromagnetic system has been widely used (Borstad and Ludewig, 2002; Karduna
et al., 2001; Ludewig and Cook, 2000; McClure et al., 2001). This allows both static
and dynamic analyses, shows acceptable reliability and adequate validity up to 120
o
of abduction (Karduna et al., 2001). Its main disadvantage is its high cost and low
clinical applicability, which restricts its use in research laboratories.
Another 3D reported method for the static and dynamic scapular analyses is
the moiré shadow topography. Warner et al. (1992) were the only ones who applied
this technique to evaluate the position of the scapula in normal shoulders, in
shoulders with glenoumeral instability and with the impingement syndrome. By
analyzing the fringe patterns produced by the moiré effects, the evaluators classified
the degree of the scapular asymmetry. The authors concluded that such technique
appeared to be more sensitive than simple clinical observations for the detection of
dysfunctions of the scapulothoracic joint. However, the assessments was just of a
qualitative nature and did not permit quantitative analyses.
There is a need for studies to develop alternative methods that provide 3D
information, are easily applied, have low costs, and allow their employment in clinical
contexts (Lewis and Valentine, 2008; Nijs et al., 2007). The moiré technique appears
to be an attractive alternative, since it fulfills all of these requirements (Degrieck et al.,
2001; Hertz et al., 2005; Warner et al., 1992; Yeras et al., 2003).
Gomes, P.F. Artigo 44
In this way, considering the potential influence of the scapular position on the
stabilization of the shoulder girdle (Mottram, 1997; Kibler, 1998; Schmitt and Snyder-
Mackler, 1999) and the evidence that associations exist between abnormalities in the
scapular kinematics and several shoulder pathologies, it is important that 3D
analyses are included in the clinical evaluations (Geraets et al., 2006; Nijs et al.,
2007; Lewis and Valentine, 2008). Thus, the development of methods which allow
the detection and quantification of the kinematic changes following interventions is
important for both the clinical and research contexts. Therefore, the aim of the
present study was to develop a non-contact measurement system which could be
clinically applied based upon the moiré projection and phase shifting techniques.
2. Methods
Six healthy subjects without shoulder or spine complaints and able to
complete the tests took part in the study. Three were women (age of 23.7±3.2 years,
body mass of 49.7±0.6Kg, and height of 1.61±0.01m) and three were men (age of
25±5.6 years, body mass of 63.7±10.6Kg, and height of 1.72±0.02m).
2.1. Instruments
An optic-mechanical measurement system was developed based upon the
moiré projection and phase shifting techniques. The system consisted of a digital
camera (1024 X 1532 pixels and 10X optical zoom), a LCD projector (1024 X 768
pixels), and a computer. The LCD projector illuminated and projected the fringe
patterns over the studied surface (scapula), the camera was aligned to the LCD’s
lens to be able to observe the surface orthogonally to its central point, and the
microcomputer controlled both the projector and the camera (Fig. 1). Fringe patterns,
composed of horizontal sinusoidal lines with a 6.9 mm pitch, were digitally generated
and projected over the studied surface. A mirror (100 cm wide X 60 cm high) painted
Gomes, P.F. Artigo 45
dull white was used as a reference plan. A locally created device was employed to
standardize, guide and position the upper limb in the scapular plane (Faria et al.,
2008).
To determine the uncertainty of the measures collected with the developed
system, a plane metal plate (350mm X 500mm) covered in dull white paint and a
linear displacement guide joined to a micrometric linear guide with an operation
range of 0 to 60 mm were used. By comparing the information provided by the
proposed system with that from the standard system (micrometer), it was possible to
estimate the systematic error of the measurement, as well as to directly calibrate the
system.
2.2. Procedures
Prior to data collection, the subjects were informed about the objectives of the
study and were asked to sign a consent form, which was approved by the University
Ethical Review Board (# 580/07).Then, they were asked to expose the shoulder
girdle and, while barefoot, were instructed to assume a standing position on the
device, which was adjusted according to their height.
Surface markers were placed over the following anatomical landmarks:
seventh cervical vertebrae (C7), twelfth thoracic vertebrae (T12), and bilaterally over
the angulus acromialis (AA), trigonum scapulae (TS), and angulus inferior the
scapula (AI), bilaterally (Wu et al., 2005). These markers were used for the
identification of the scapula by the dedicated software. Afterwards, the following
distances were bilaterally measured with a measuring tape: AA to TS, TS to AI, and
AA to AI.
The scapular kinematic data during the movement of the upper limb elevation
was obtained with the optical-mechanical measurement system. First, the reference
Gomes, P.F. Artigo 46
plan was positioned to obtain the reference measures and at the same time, the
focus and the zoom of both the projector and camera were adjusted. Then, without
environment light, four photos referent to the four primary fringe patterns, 90
o
phase-
shifted between each, were obtained.
After, the subjects were repositioned on the device and were asked to perform
the total range of the upper limb elevation. They were instructed to raise their arms at
a comfortably self-selected speed, moving the upper limbs every 60
o
, until completing
the full range of motion. Each time the subjects reached the desired angle, they were
asked to stop, stand still, and sustain the movement for about four seconds for the
acquisition of the four primary fringe patterns. All of the photos were taken at the end
of the tidal volume expirations. The whole data collection process lasted about 30
minutes.
To determine the systematic errors, as well as to directly calibrate the
measurement system, the metal plane, with one side painted in dull white, was fixed
to the linear displacement guide, which was previously calibrated. From the 0
millimetre (mm) position, the guide was displaced every 10 mm until reaching the
50mm position. At each position, a sequence of four photos was taken. Four
complete collections were obtained, on two separate days, for each position.
2.3. Data Processing
The images were processed using a dedicated program which was specifically
developed for this study and united all of the computer routines necessary for the
calculations of the 3D image profiles from the 2D grey scales provided by the moiré
projection and phase shifting techniques, using the Visual C® (46) programming
language.
Gomes, P.F. Artigo 47
The processing was performed as follows: The four dephased reference
images and the four dephased subject images were downloaded. The image phase
maps were calculated and, then, the differences between the reference values from
the scapular images were calculated, obtaining thus, the moiré fringe maps, which
contained all the 3D surface information (Fig. 2). From that point, the phase
unwrapping was calculated and the 3D images of the studied surface were obtained
(Fig. 3). The calculations of the scapular kinematics were carried out by routines
developed at MatLab®, using the 3D profile as entries.
The scapular kinematics were calculated following recommendations of the
International Society of Biomechanics (Wu et al., 2005). The developed system was
incapable of registering the processus xiphoideus and the incisura jugularis, which
are two of the anatomic markers suggested for the thorax. Hence, the C7 and T12
anatomic landmarks were used for the definition of the thorax coordination system
and the origin was set-up at C7. The calculations of the scapular movements were
carried out related to the thorax and the Y-X-Z Euler rotation sequence was adopted.
Following all of these recommendations, the computational routines, from the
selection of the AA, IA and TS points, as well as C7 and T12, calculated the scapular
movements in each position of the investigated range.
The test-retest reliability measures were carried out from the same image,
after an interval of a week. For this, a dedicated software for scapular recognition
was employed. The processing was performed as follows: the photo of 0
o
was
downloaded and one evaluator selected the C7 and T12 anatomic landmarks, as well
as the AA, TS, and AI of both scapulae, using, as references, the measured
distances from AA-TS, TS-AI, and AA-AI and the markers that were placed during the
initial evaluation by the same investigator. Once the software determined the 0
o
Gomes, P.F. Artigo 48
position, this value was used as a reference point for the recognition of the other
positions of the scapulae.
2.4. Statistical analyses
To compare the measures provided by the developed system and those from
the micrometric linear guide, independent Student t-tests and Pearson correlation
coefficients were used. The uncertainty of the system was evaluated by the
coefficient of variation, tendency, and relative repeatability, whereas ICCs were
employed to investigate the test-retest reliability. For all analyses, the significance
level was established at α< 0,05.
3. Results
3.1. Scapular kinematics
The 3D measurements of the right and left scapulae at 0, 60, 120 and 180°
during the quasi-static movement of the elevation of the upper limbs are shown in
Figure 5. During the elevation, an expected pattern of scapular lateral rotation,
posterior tilt and a tendency for retraction at the end of the movement was observed
(Table 1).
3.2. Test-retest reliability
The ICC values for each scapula rotation are presented in Table 2. The lowest
value was 0.92, indicating an acceptable reliability.
3.3. Tendency and error estimations of the developed measuring system
The values obtained with the developed system and with the micrometric
linear guide did not show statistically significant differences (t=0.28, p=0.78), and
showed a correlation of r=1 (p<0.0001). The tendencies (Fig. 6A) and the
uncertainty of the 3D profiles were calculated in four experiments, on two separate
days. The value given by the micrometric guide was compared to the values obtained
Gomes, P.F. Artigo 49
with the developed system. The maximum tendency reached 3.36 mm, with a
coefficient of variation of 0.39%, and a relative repeatability of 0.78% (Table 3). Since
the tendencies were calculated from samples, the remaining doubts regarding these
tendencies could be considered the measurement system uncertainty in obtaining
the 3D profile. For a measurement range of up to 50 mm, the standard deviation of
the Z values of each pixel was not higher than 0.4% of the measured value (Fig. 6B).
A maximum error was estimated as two times the value of the standard deviation,
i.e., lower or equal to 0.8% of the measured value.
A linear dependence between the tendency and the measured value was observed
(Fig. 6). Thus, a least square linearization coefficients were used to correct the
system’s systematic errors. The corrected value was calculated by the following
equation: Z
real
= Z
measured
– (Z
measured
* 0.06996 – [0.24360]) , in which Z were the
values measured at the 3D surface’s depth and the [0,24360] value was used only
for linearization.
4. Discussion
This was a pioneer study in applying the moiré projection and phase shifting
techniques to obtain the 3D profiles of the scapula. The results demonstrated that the
developed measurement system was applicable in the description of the 3D
positioning of the scapula during the quasi-static movements of the upper limb
elevation in the scapular plane.
4.1. Scapular kinemtics
During the elevation of the upper limbs, constant and expected patterns of
lateral rotation, posterior tilt and scapular retraction were obtained (Fayad et al.,
2006; McClure et al., 2001; Myers et al., 2005). Regarding the lateral rotation
Gomes, P.F. Artigo 50
movement, there was little movement up to 60
o
, which progressively increased until
the end of the movement, when it reached an average of -26.47° and a maximum of -
31.91º. According to the classic study of Inman et. al. (1944), the scapula shows
minimal movements up to 60
o
to accommodate the humeral head in the glenoid
fossa, searching a stable position. There was observed more variability during this
phase, which was related to the resting position and to the individual characteristics.
After 60
o
, the scapula had a larger contribution to the scapulohumeral rhythm,
however, studies disagree regarding these contributions, which were reported to vary
from 2:1 to 7.9:1 of the humeral movement in relation to the scapula (Inman et al.,
1944; McQuade and Smidt, 1998).
Regarding the tilt movements, the scapula moved from an anterior tilt in the resting
position to a 21.71
o
of posterior tilt at the end of elevation. This is a very difficult
rotation to measure, especially in clinical practice, and it is usually evaluated in a
qualitative manner, by observing the loss of control of the inferior angle of the
scapula during the movement of the elevation of the upper limbs (Kibler et al., 2002).
Despite the difficulties in measuring the tilt movements, the posterior tilt is functionally
important, since it allows the creation of space between the anterior aspect of the
acromion and the humeral head, for the perfect sliding of the rotator cuff tendon
(Ludewig and Cook, 2000; Lukasiewicz et al., 1999). Studies reported that decreases
in this rotation occur in individuals with the impingement syndrome (Ludewig and
Cook, 2000; Lukasiewicz et al., 1999).
The protraction and retraction movements were the most constant and
maintained around 30
o
, with a tendency to retract at the end of the elevation
movement. These results are supported by Fayad et al. (2006), who also found a
small variation in this movement. The scapula protracts and retracts in order to slide
Gomes, P.F. Artigo 51
over the thoracic wall, following its contour. Retraction creates a stable basis for
tasks that require upper limb elevation or abduction, mainly over 90
o
(Kibler, 1998).
Similar to the tilt movements, the retraction allows the release of the rotator cuff
tendon, avoiding its compression, especially during the movements of throwing
objects (Myers et al., 2005). Clinically, this movement is commonly evaluated as the
loss of control of the medial border of the scapula during the movements of elevation
and the lowering of the arms (Kibler et al., 2002).
There are discrepancies between the findings of various studies, even
between those that used the same measurement instruments (Table 4). Thus, data
comparisons were not possible, due to methodological differences, since several
factors could affect the results of the scapular movements. Such factors include both
the way in which the movement was studied, as well as the technical differences of
the employed instruments (McClure et al., 2001). Regarding the movements, greater
differences refer to the plane in which the movements were performed (scapular,
sagittal, frontal), the range of motion, the position of the individual during the
evaluation (sitting, standing), the body position, the degree of stabilization, and the
type of movement (static, dynamic, quasi-static) (Illyes and Kiss, 2006; Karduna et
al., 2001; Lukasiewicz et al., 1999). In relation to the technical differences, they
include: the choice of the anatomical locations for the definition of the local
coordinates (acromial angle or spine of scapula), the method used to calculate the
angles and to describe the movements, e.g., the Euler angles or Cardan sequences,
the sequence used on Euler’s angular matrix, the methods used for data reduction
and presentation, and, mainly, the intrinsic differences of the instruments (Borstad
and Ludewig, 2002; Karduna et al., 2001; McClure et al., 2001; van Andel et al.,
2009).
Gomes, P.F. Artigo 52
Karduna et al. (2001), who validated the non-invasive electromagnetic system,
reported RMS errors in relation to the total movement of 19% for posterior tilt, 4% for
upward rotation and 32% for external rotation. These values show the differences
between the use of the electromagnetic system’s receptors on the acromion, non-
invasively, and its invasive use, through surgically fixed pins on the spine of the
scapula. They reported that the use of receptors on the acromion may cause
variations on these measures, which could also explain the existence of the
variability between the studies that used the electromagnetic system.
4.2. Reliability of the measurements
The developed optical-mechanical system showed to be reliable for measuring
the scapular kinematics at the four levels of upper limb elevation in the scapular
plane (ICCs= 0.92-0.997). The differences between the measures of the scapular
kinematics on the first and second days showed an average variations of 1.03° to
1.67°, with a standard deviation that ranged from 0.77° to 2.03° and a standard error
from 0.16° to 0.41°, when all the range of motion of each scapular rotation, for each
side were considered.
Johnson et al. (1993) were the first ones to report test-retest reliability of the
Isotrak electromagnetic system and the scapular locator. They found a variability of
0.89° to 2.69° from one day to the next. Meskers et al. (1998) used the Flock of Birds
electromagnetic system and the scapular locator to analyze the quasi-static
movements during upper limb abduction and found standard deviations of 2.83° to
4.01°. Roy et al. (2007) evaluated the test-retest reliability of the Optotrak probing
system, and found ICCs of 0.62 to 0.90 and standard errors of 1.5° to 4.2°. Illyes et
al. (2006) used a movement analysis system based upon ultrasound to evaluate
scapular kinematics. The reported standard deviations ranged from 0.71mm to
Gomes, P.F. Artigo 53
2.77mm, when the test-retest reliability of three evaluators was considered. The
lowest variability was related to the most experienced evaluator and the highest, to
the least experienced. Van Andel et al. (2009) used the Optotrak system and a
acromio maker cluster, found a maximum standard error of 6°, with a standard
deviation that ranged from 3.5° to 9.5°, during upper limb abduction.
The values found in the present study were better than the ones previously
reported (Illyes et al., 2006; Johnson et al., 1993; Meskers et al., 1998; Roy et al.,
2007; van Andel et al., 2009). This can be associated with the way in which the
developed system calculated in a direct way, the rotations, independent of the
receptors. Thus, the measures were not influenced by the positioning of the
electrodes, neither by the electrode displacements during the movements, nor by the
interference of the environment in capturing the signal, since this system does not
need the environment to transmit the signal. Another fact is that these values refer
only to the intrinsic variability of the evaluators; since the obtained rotations were
calculated from the same image with an interval of a week and the obtained values
from the literature also included the variability of the individual.
4.3. Uncertainty of the measurement system
To guarantee that the developed system showed accurate values, those
obtained with a micrometric linear guide, which was considered as the standard
measure, were compared to those obtained with the developed system. No
significant differences and strong correlations between the values were found,
indicating that the developed system provided valid measures. In addition, a
calibration using such values was performed to correct for the systematic errors of
the depth measures, which guaranteed greater accuracy and the hardiness of the
system. The maximum calculated systematic error was 0.8% of the measured value.
Gomes, P.F. Artigo 54
4.4. Clinical applications
The most important differences between the developed system and the others
were that it is a contact-free system, that is, it did not require receptors on the studied
surface to capture the information, since the 3D profiles were calculated from the
optical effects produced by the deformity of the projected fringes. After processing,
the images with 3D coordinates of each pixel were obtained and the calculations to
determine the scapular positioning were directly carried out from the anatomical
marks. It is well documented that one of the difficulties in measuring scapular
movements is because its peculiar feature of sliding under the skin (Karduna et al.,
2001) and this problem was overcome in the developed system. Since the system
also did not depend on the acromial receptors, it also solved the problem of the low
reliability reported for the measurements obtained with the electromagnetic system
over 120
o
of upper limb elevation (Karduna et al., 2001). Furthermore, the absence of
receptors and wires allowed the movements to be freely performed, thus avoiding
compensations during the evaluation (Illyes et al., 2006).
The advantages of the present developed system, compared to the others, are
that it is a non-invasive method that employs simple, low-cost technology, and can be
clinically applied. The instruments commonly used in clinical practice, such as videos
(Kibler et al., 2002), x-rays (de Groot, 1999), goniometers (Doody et al., 1970),
measuring tapes (T'Jonck et al., 1996), and inclinometers (Johnson et al., 2001), are
able at the most, to capture the scapular movements in two dimensions. This makes
difficult follow-up evaluations and documentations of changes due to treatments.
Because the scapula has five degrees of freedom, several compensations may occur
due to the imposed task demands. Thus, if more movements could be objectively
assessed, more efficient the interventions will be (Lewis and Valentine, 2008).
Gomes, P.F. Artigo 55
Furthermore, quantitative measures decrease the subjectivity of the qualitative
clinical evaluations, facilitating the communication between professionals (Kibler et
al., 2002).
An important point that should be considered when developing systems to be
employed in clinical practice is their practicality and effectively. Clinical measures
should be easy to obtain (Nijs et al., 2007; Lewis and Valentine, 2008). In this study,
the necessary time for image collection of the whole movement, with measurements
obtained every 60
o
, was approximately 10 minutes. The following care should be
taken: the subject should remain immobile when the photos are taken and the
measurement system should be placed in the same exact way, when the aim is to
compare data collected on different days. Thus, the placement of the camera and the
projector lens, the distances between the camera and the projector lenses, as well as
between the camera and the individual and the zoom must be constant.
It is not yet possible for the system to provide a dynamic analysis, since the
individual must remain static during the projection of the fringe patterns. The next
step should be the system adaptation for dynamic analyzes. Furthermore, since it is
a direct measurement system, the excess of subcutaneous tissue can jeopardize the
location of the scapula.
Conflicts of interest
There are no conflicts of interest involved.
Acknowledgments
Brazilian government funding agencies (CNPq/FAPEMIG). The authors would
like to thank Flávia Maia and Dr. John Henry H. Salmela for English copy editing and
Daniel Matos and Daniel Barreto for their assistance in data collection and Leonardo
Gomes, P.F. Artigo 56
Motta, Gustavo Borges, Fernando Aguiar, and Abraão Marques Tavares for their
technical assistance.
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Gomes, P.F. Artigo 59
FIGURE CAPTIONS
Fig. 1. Optical-mechanical setup of the proposed system.
Fig. 2. The moiré phase maps.
Fig. 3. The three-dimensional profile of the scapula.
Fig. 4. The joint coordinate system and the scapular motion.
Fig. 5. Scapular rotations: Retraction and protraction (A), lateral and medial rotation
(B), and anterior and posterior tilt (C).
Fig. 6. System calibration: Mean tendencies (A) and standard deviations (B).
Gomes, P.F. Artigo 60
Gomes, P.F. Artigo 61
Gomes, P.F. Artigo 62
Gomes, P.F. Artigo 63
Gomes, P.F. Artigo 64
Gomes, P.F. Artigo 65
Gomes, P.F. Artigo 66
Table 1. Descriptive Statistics of the Scapular kinematics (n=6): Y=protraction/ retraction, X=
lateral/medial rotation, Z= anterior/posterior tilt, R= right, L= left.
Position Axis - Side Minimum Maximum Mean Std. Deviation Std. Error
Rest Y - R 22.46 33.08 28.87 3.86 1.58
Y - L 18.58 35.89 27.83 5.68 2.32
X - R -14.60 5.60 -0.87 7.68 3.14
X - L -10.42 2.41 -2.75 4.55 1.86
Z - R -14.37 0.79 -5.97 5.53 2.26
Z - L -24.15 3.15 -6.81 10.09 4.12
60 Y - R 22.61 32.52 26.59 4.00 1.63
Y - L 20.78 42.18 31.15 7.76 3.17
X - R -12.83 1.73 -3.20 5.18 2.11
X - L -9.34 -0.15 -4.20 3.37 1.38
Z - R -7.17 1.83 -2.60 4.03 1.65
Z - L -11.60 5.15 -1.93 5.91 2.41
120 Y - R 24.79 36.32 29.69 5.09 2.08
Y - L 25.74 38.73 33.89 5.30 2.16
X - R -28.31 -11.34 -17.02 6.20 2.53
X - L -28.05 -8.17 -15.17 7.32 2.99
Z - R 2.06 21.27 9.63 6.72 2.74
Z - L 1.56 18.47 10.73 6.24 2.55
End Y - R 20.25 30.99 26.28 4.15 1.69
Y - L 15.79 38.09 29.21 8.87 3.62
X - R -30.81 -23.92 -27.43 3.18 1.30
X - L -31.91 -21.28 -25.51 3.82 1.56
Z - R 14.17 28.66 20.05 5.52 2.25
Z - L 14.92 31.95 23.37 6.65 2.71
Gomes, P.F. Artigo 67
Table 2. Intraclass correlation coefficient values.
Axis ICC 95% Confidence
Interval
p<
Y Right 0.92 0.815 – 0.965 0.0001
Y Left 0.988 0.972 – 0.995 0.0001
X Right 0.995 0.987 – 0.998 0.0001
X Left 0.986 0.966 – 0.994 0.0001
Z Right 0.994 0.985 – 0.997 0.0001
Z Left 0.997 0.994 – 0.999 0.0001
Gomes, P.F. Artigo 68
Table 3. Comparative analyses of the micrometric linear guide and the developed
system: Mean values of four analyzes.
Standard
Measurement
(mm)
Mean±SD
(mm)
Tendencies
(Mean – standard
measurement)
(mm)
Variation
coefficient –
(std.
deviation/mean)
(%)
Relative
repeatability
(t
95
=2)
(%)
0 0±0 0 0 0
10 10.35±0.04 0.35 0.38 0.75
20 21.14±0.08 1.14 0.36 0.73
30 31.75±0.06 1.75 0.20 0.40
40 42.27±0.16 2.27 0.38 0.77
50 53.36±0.21 3.36 0.39 0.78
Gomes, P.F. Artigo 70
Table 4. Scapular rotations measured in various studies. * = Graphics values.
Author Method Movement’s
plane
Range of arm
elevation
Lateral
Rotation
Scapular
Tilt
Protraction
/Retraction
* McClure et
al., 2001
Electromagnetic tracking
device – Invasive;
Dynamic
Scapular (40º
anterior to the
frontal plane)
Rest (11º)
60º
120º
End of motion (147º)
18º
27º
50º
67º
16º
33º
-35º
-36º
-29º
-11º
Myers et al.,
2005
Electromagnetic tracking
device – Non-invasive;
Dynamic
Scapular (30º
anterior to the
frontal plane)
Rest
60º
120º
-3º
12º
25º
-11º
-6º
28º
34º
39º
* Borstad and
Ludewig, 2002
Electromagnetic tracking
device – Non-invasive;
Dynamic
Scapular (40º
anterior to the
frontal plane)
40º
60º
120º
-17º
-23º
-41º
-10º
-10º
-8º
40º
41º
46º
* Andel et al.,
2008
Optotrak Probing System
– Non-invasive; Quasi-
static
Humerus
forward flexion
20º
60º
100º
11º
21º
40º
-5º
-1º
30º
35º
37º
* Ludewig et
al., 1996
Electromechanical linkage
digitizer – Non-invasive;
Static
Scapular (30º
anterior to the
frontal plane)
90º
140º
22º
36º
34º
29º
21º
-8º
-3º
Gomes, P.F. Considerações Finais 71
Capítulo 5 – CONSIDERAÇÕES FINAIS
O sistema de medição desenvolvido pelos departamentos de Fisioterapia e
Engenharia Mecânica da UFMG, baseado nas técnicas de moiré de projeção e de
deslocamento de fase se mostrou aplicável para descrever o posicionamento
tridimensional da escápula durante o movimento quasi-estático de elevação dos
MMSS no plano escapular.
Apresentou uma adequada confiabilidade teste-reteste (CCI = 0,92-0,997) e
uma estimativa de erro de 0,8% do valor medido. Trata-se de um sistema sem
contato, não invasivo, prático, cuja coleta é rápida e que utiliza tecnologia simples,
sendo passível de ser utilizado em um ambiente clínico. Sua desvantagem é que o
só permite o estudo do movimento quasi-estático. Futuros estudos devem ser
realizados para avaliar sua capacidade de detectar mudanças ao longo do tempo e
para determinar a sua validade concorrente. O próximo passo deve ser a adaptação
do sistema para análise do movimento de forma dinâmica.
Gomes, P.F. Apêndice e Anexos 72
ANEXO 1 – Parecer do Comitê de Ética em Pesquisa
Gomes, P.F. Apêndice e Anexos 73
APÊNDICE 1 - Termo de Consentimento Livre e Esclarecido
Investigador: Pollyanna Figueiredo Gomes
Orientadora: Prof
a
. Luci Fuscaldi Teixeira-Salmela, Ph.D.
Co-Orientador: Prof. Meinhard Sesselmann, Ph.D.
TÍTULO DO PROJETO
Análise quantitativa da cinemática escapular: uma nova abordagem
INFORMAÇÕES
Você está sendo convidado a participar de um projeto de pesquisa a ser desenvolvido no
Centro de Estudos Metrológicos (CEMETRO), Laboratório de Ótica do Departamento de
Engenharia Mecânica (DEMEC) da Universidade Federal de Minas Gerais, que tem como
objetivo descrever um novo método de avaliação da postura da escápula durante o
movimento de elevação e retorno da elevação dos braços.
DETALHES DO ESTUDO
O estudo se propõe a avaliar se a técnica de moiré de projeção é capaz de determinar a
postura da escápula e a validade durante os movimentos de elevação e retorno da elevação
dos braços, considerando pessoas que tem uma postura adequada da escápula e pessoas
que não tem.
DESCRIÇÃO DOS TESTES A SEREM REALIZADOS
Avaliação inicial
Uma entrevista inicial será conduzida para coleta dos seus dados pessoais e um exame
físico será realizado, para avaliar as suas condições de participar do estudo. Para manter a
privacidade dos seus registros, o investigador colocará um código para identificação dos
seus dados e imagens, sendo que apenas ele terá conhecimento do nome a quem esta
identificação corresponde.
Medidas do posicionamento escapular
O posicionamento tridimensional da escápula será avaliado com um novo método chamado
moiré de projeção. Você será solicitado a se posicionar de pé, numa posição pré-definida, à
frente de um anteparo, que possibilita o posicionamento correto dos seus braços durante o
teste. Serão feitos registros fotográficos da postura escapular de 30 em 30 graus durante os
movimentos de elevação e retorno da elevação dos braços em dois dias diferentes com um
intervalo de uma semana entre cada medida.
Procedimentos
Inicialmente, será realizada uma avaliação postural, incluindo o registro fotográfico da
postura. Em seguida você irá realizar o movimento de elevação e retorno da elevação dos
braços para filmagem e avaliação da postura erguer um peso com o braço para
determinarmos a carga máxima que seus músculos conseguem erguer em uma repetição do
movimento de elevar os braços. Será realizada uma filmagem do movimento de elevação e
retorno da elevação do braço para realização de uma avaliação qualitativa do movimento da
sua escápula. Para determinação do posicionamento tridimensional da escápula pelo
sistema de análise do movimento, serão colocados marcadores adesivos sobre pontos
específicos da sua pele na região dos ombros e costas. Esses procedimentos são
totalmente indolores. Você será solicitado a comparecer ao laboratório uma semana depois
para repetição das medidas a fim de verificar a se essas medidas são confiáveis.
Gomes, P.F. Apêndice e Anexos 74
Riscos
Não existe risco quanto a sua participação no estudo além daqueles existentes em seu dia a
dia, os equipamentos que serão utilizados não oferecem nenhum risco para sua saúde.
Você poderá sentir um leve desconforto muscular durante os testes, entretanto tal
desconforto será minimizado por um período de descanso entre as medidas.
Benefícios
Você e futuros participantes poderão se beneficiar com os resultados desse estudo. À
medida que se desenvolvem métodos de avaliação da postura da escápula que possibilitam
a sua utilização clínica, por não apresentarem riscos para saúde e apresentarem medidas
confiáveis, estratégias fisioterapêuticas mais apropriadas de tratamento podem ser
utilizadas, bem como o acompanhamento da evolução do paciente após o tratamento. Além
disso, a detecção precoce de alterações do movimento pode auxiliar na utilização de
procedimentos preventivos.
Confidencialidade
Você receberá um código que será utilizado em todos os dados e imagens dos seus testes e
não será reconhecido individualmente.
Natureza voluntária do estudo
A sua participação é voluntária e você tem o direito de se retirar por qualquer razão e
qualquer momento.
Pagamento
Informamos que você não terá qualquer tipo de despesa para participar da pesquisa, que a
participação neste estudo é voluntária e que você não receberá qualquer tipo de
compensação financeira em função da sua participação. Entretanto, caso seja necessário os
custos com o seu deslocamento até o local da pesquisa e quaisquer outros gastos
adicionais serão de responsabilidade dos pesquisadores.
DECLARAÇÃO E ASSINATURA
Eu, ______________________________________________________________________,
li e entendi toda a informação repassada sobre o estudo, sendo os objetivos, procedimentos
e linguagem técnica satisfatoriamente explicados. Tive tempo, suficiente, para considerar a
informação acima e, tive a oportunidade de tirar todas as minhas dúvidas. Estou assinando
esse termo voluntariamente e, tenho o direito, de agora ou mais tarde, discutir qualquer
dúvida que venha a ter com relação à pesquisa com:
Pollyanna Figueiredo Gomes: (0XX31) 3464-3677/ 8797-7764
Profa. Luci Fuscaldi Teixeira-Salmela: (0XX31) 3409-7403
Prof. Meinhard Sesselmann: (0XX31) 3409-3518
Comitê de Ética em Pesquisa UFMG: (0XX31) 3409-4592
Av. Antônio Carlos, 6627 Unidade Administrativa II 2º Andar – Sala 2005. Campus
Pampulha, Belo Horizonte / Minas Gerais. CEP 31270-901
Assinando este termo de consentimento estou indicando que concordo em participar deste
estudo: Análise quantitativa da cinemática escapular: uma nova abordagem.
______________________________________ __________________
Assinatura do Participante Data
RG/CPF:
Gomes, P.F. Apêndice e Anexos 75
_______________________________________ __________________
Assinatura da Testemunha Data
RG/CPF:
________________________________________ __________________
Assinatura do Investigador Data
TERMO DE UTILIZAÇÃO DE IMAGEM
Eu,_______________________________________________________________________
autorizo a veiculação de minha imagem, através de fotos e vídeos, na dissertação de
mestrado: Análise quantitativa da cinemática escapular em indivíduos: uma nova
abordagem, da fisioterapeuta Pollyanna Figueiredo Gomes, sob orientação da Profa. Luci
Fuscaldi Teixeira-Salmela, Ph.D. e co-orientação do Prof. Meinhard Sesselmann, bem
como em apresentações e publicações de natureza técnico-científicas.
Assinando este termo de consentimento estou indicando que concordo em participar deste
estudo: Análise quantitativa da cinemática escapular: uma nova abordagem.
_____________________________________ __________________
Assinatura do Participante Data
RG/CPF:
______________________________________ __________________
Assinatura da Testemunha Data
RG/CPF:
_______________________________________ __________________
Assinatura do Investigador Data
DECLARAÇÃO DO INVESTIGADOR
Eu, _______________________________________________________________ expliquei
ao participante ,_____________________________________________________________
a natureza do estudo descrito anteriormente. Eu certifico que, salvo melhor juízo, o
participante entendeu claramente a natureza, benefícios e riscos envolvidos com este
estudo. Respondi a todas as questões que foram levantadas e riscos envolvidos com este
estudo. Respondi a todas as questões que foram levantadas e testemunhei a assinatura
acima. Estes elementos de consentimento informado estão de acordo com a garantia dada
pelo Comitê de Ética em pesquisa da Universidade Federal de Minas Gerais para proteger
os direitos dos sujeitos humanos.
Forneci ao participante/sujeito uma cópia deste documento de consentimento assinado.
Assinatura do investigador Data
Gomes, P.F. Apêndice e Anexos 76
APÊNDICE 2 – Avaliação Inicial
GRUPO e Nº:_________ Data:____/____/____
A) Identificação
Nome:____________________________________________________________________
Idade:______________ Data de nascimento:____/____/______ Sexo:_______________
Endereço:_________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
Cidade:__________________________ Estado:_______ CEP:_______________________
Telefone: ______________Profissão: __________________Ocupação: ________________
Tipo de Atividade Física:______________________________________________________
Freqüência:_______________Intensidade:__________________Duração:______________
Membro superior dominante: __________________________________________________
B) Dados Antropométricos
Altura:_______________________ Massa:_______________________
C) Exame físico
Postura Vista Posterior
Escápula
Abduzida(D)(E) Rot.Sup.(D)(E) Tilt Ant. (D)(E) Superio.(D)(E) Rot.Méd.(D)(E)
Aduzida (D)(E) Rot.Inf. (D)(E) Tilt.Post.(D)(E) Rot. Lat. (D)(E)
Coluna
:___________________________________________________________________
Pelve
:_____________________________________________________________________
Slide test
:__________________________________________________________________
Postura Vista Lateral
Cabeça
Alinhada ( ) Protrusa ( )
Ombro
Alinhado ( ) Protruso ( )
Cervical
Alinhada ( ) Hiperlordose ( ) Retificada ( )
Torácica
Alinhada ( ) Hipercifose ( ) Retificada ( )
Lombar
Alinhada ( ) Hiperlordose ( ) Retificada ( )
Análise do Movimento:
Referência:
Tipo I – Tilt
Anterior
Proeminência do ângulo inferior ou perda do controle escapular em
relação ao eixo horizontal paralelo a espinha da escápula
Tipo II – Alamento
(Rot. Medial)
Proeminência da borda medial ou perda do controle escapular em
relação ao eixo vertical paralelo a coluna vertebral
Tipo III –
Superiorização
Deslizamento superior ou perda do controle escapular em relação ao
eixo sagital
Tipo IV – Normal
Rotação superior escapular, na qual o ângulo inferior desliza
lateralmente e a borda medial permanece contra a parede torácica,
ocorrendo o inverso no retorno da elevação
Elevação
TIPO I (D) (E) TIPO II (D) (E) TIPO III (D) (E) TIPO IV (D) (E)
Retorno
TIPO I (D) (E) TIPO II (D) (E) TIPO III (D) (E) TIPO IV (D) (E)
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