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Introdução

    Quando se pensa em força, a força de reação do solo pode ser citada, pois esta faz parte da Biomecânica Externa e, segundo Teixeira (2004) é metodologicamente mais simples para se mensurar.

    A análise da força de reação do solo é importante por estar relacionada às cargas impostas ao aparelho locomotor durante o contato do corpo com o solo. Atualmente são vários os trabalhos que tratam do tema (Machado, 1994; Filho et al., 1997; Pasa, Teixeira e Mota, 2005; Pranke, Teixeira e Mota, 2005; Amadio e Serrão, 1992; De Sá et al., 2005; Melo et al., 2005; Bruniera e Amadio, 1993; Ribeiro e Mota, 2004; Miller, 1990; Kruel et al., 1999; Duarte et al., 1997). Especificamente para a mensuração da força de reação do solo, alguns sistemas disponíveis no mercado podem ser citados: plataforma de força OR6-5 AMTI (Advanced Mechanical Technologies, Inc.) e sistema F-Scan (Tekscan Inc., USA), ambos sistemas são componentes dos métodos de medição que englobam a dinamometria, que segundo Amadio (1996) trata das forças e pressão plantar.

    Pela possibilidade de avaliação da força de reação do solo com diferentes sistemas, o presente trabalho justifica-se pela importância de estudos ligados a quantificar diferentes dados que expressam mesmo valor ou mesma quantidade, visto que existe a possibilidade de utilização de sistemas distintos (plataforma de força e sistema F-Scan) que podem apresentar valores de forças, sendo que o F-Scan é um sistema mais prático de manusear, mas com resultados mais trabalhosos para se processar e mesmo que sua avaliação, na maioria dos estudos englobem pressão plantar, a avaliação da força de reação do solo também é possível. A avaliação de ambos sistemas poderá possibilitar a ampliação das aplicações e utilização dos dois sistemas, suprindo assim as necessidades e agilizando a praticidade de manuseio e condução dos mesmos. Este trabalho justifica-se também pela carência de estudos biomecânicos referentes à utilização de diferentes sistemas de força para a facilitação de coletas de dados. Diante destas perspectivas este estudo buscou verificar e comparar os dados de força obtidos pelos sistemas F-Scan (sistema 1) e plataforma de força AMTI (sistema 2) durante a marcha.

Plataforma de força

    Para a coleta de dados utilizou-se duas plataformas OR6-5 AMTI (Advanced Mechanical Technologies, Inc.) As plataformas de força fornecem um sinal elétrico proporcional à força aplicada. Existem vários tipos de sensores para esse tipo de medição, sobressaindo-se os strain gauges (extensômeros), piezoelétricos, piezoresistivios e capacitivos, dentre outros (Winter apud Moraes, 2000).

    Historicamente, parecem existir três linhas principais de evolução das plataformas, desde as puramente mecânicas de Amar, 1920, e Henry, 1952 (Payne apud Amadio e Duarte 1996). A primeira linha está associada ao desenvolvimento de sensores de cristal piezoelétrico, ao passo que as outras duas linhas utilizam sensores do tipo strain gauges (extensômetros de resistência elétrica). As plataformas que usam strain gauges podem envolver dispositivos que deformam com cargas centrais do tipo axial ou do tipo que utilizam vigas fletidas. Plataformas que operam com sensores piezoelétricos são exclusivamente dinâmicas, possuem uma freqüência natural alta, são muito caras e são difíceis de operar (flutuações do sistema eletrônico, muito sensível a pequenas vibrações do tipo veículos passando na rua próxima ao laboratório, etc.).

    Plataformas à base de extensômetros de resistência elétrica podem realizar medições estáticas, são estáveis durante largos períodos de tempo, são mais baratas que as piezoelétricas, mas possuem freqüência natural mais baixa, o que é um fator limitante importante, principalmente quando se pretende avaliar atividades envolvendo impacto (salto em distância, vôlei, basquete, etc.). À parte de condicionamento eletrônico de sinal também é mais simples.

    Normalmente, uma força representa a ação de um corpo sobre outro (quando não se está considerando forças internas). Quando se usam sensores do tipo extensômetros de resistência elétrica, estes sensores captam a deformação mecânica sofrida pelo elemento elástico da plataforma e como conseqüência, variam sua resistência elétrica. Como as deformações mecânicas são muito pequenas (na região elástica), as variações de resistência elétrica correspondentes são muito pequenas também. Desta forma, um dispositivo chamado condicionador de sinais converte variação de resistência elétrica em variação de voltagem (além de amplificar, filtrar, etc.).

    A figura 1 mostra um esquema ilustrativo de todo o processamento que ocorre a partir da coleta de dados desde os transdutores na plataforma de força até a visualização pelo monitor, incorporado ao computador. As cargas que são aplicadas sobre as plataformas são convertidas em tensões elétricas através da matriz de sensibilidade de cada plataforma. Estas tensões são então amplificadas e convertidas através de um conversor analógico/digital (A/D). Estes sinais digitais são visualizados pelo operador através do equipamento de informática, podendo ser normalizados em relação à massa corpórea de cada indivíduo avaliado (Moraes, 2000).

    No desenvolvimento de uma plataforma deve-se pensar na aplicação desejada, e os problemas pertinentes ao seu uso. Um aspecto importante é sua freqüência natural, que deve ser bem maior do que as freqüências dos sinais a serem medidos. Nesse sentido, normalmente, tenta-se produzir uma plataforma com máximo de rigidez e mínimo de massa, logo como conseqüência pode-se ressaltar: (a) deformações pequenas, (b) desacoplamento (aplicando carga em x não deve aparecer componente em y e z), (c) ótima linearidade e (d) baixa histerese.

    A plataforma AMTI, utilizada no presente estudo, captura seus dados através de transdutores do tipo strain gages fixados em células de carga, localizadas nos quatro cantos da plataforma. Estes transdutores são dispostos em circuitos do tipo ponte de wheatstone. Os sinais de saída são proporcionais à deformação mecânica sofrida pelo material devido às forças. Os transdutores suportam forças de 10000 N na direção vertical e 4000 N nas direções horizontais. O sistema de coordenadas cartesianas das plataformas consiste no eixo Z vertical, com os eixos horizontais X no sentido do movimento e Y perpendicular aos eixos X e Z. A origem deste sistema localiza-se no centro geométrico da superfície da plataforma. A figura 2b ilustra as forças na plataforma de força AMTI.

    Cavanagh apud Amadio (1996) afirma ser necessário o conhecimento das três componentes de força, ilustrada na figura 3, para a determinação do ponto de aplicação do vetor força, que determina curvas características orientadas no eixo do tempo para distintas formas de movimento. Deve-se observar que a força de reação do solo muda em magnitude, direção e ponto de aplicação durante o período em que o indivíduo está em contato com a superfície. A força de reação do solo é um vetor e para a análise é geralmente dividida em seus componentes: Fz (componente vertcal); Fy (componente antero-posterior) e Fx (componente médio-lateral).

    Diversos fabricantes oferecem este tipo de equipamento; entretanto, para aplicações específicas, torna-se necessário desenvolver plataformas especiais (análise de movimentos dentro d'água, pedal de bicicleta, força de mordida, próteses, etc.).

Sistema F-Scan

    Segundo Nigg e Herzog (1994) o esforço para quantificar a pressão plantar começou a ser feito no final do século XIX, porém progressos significativos no desenvolvimento de sistemas de medição disponíveis comercialmente só foram feitos a partir de 1980.

    Segundo Machado (1994) o sistema F-Scan (Tekscan Inc., USA) consiste de sensores flexíveis, circuitos de coletas de dados e sistema de software. O sensor caracteriza-se em seu tamanho original por 960 pontos sensíveis localizados sobre sua superfície. Seus métodos de produção foram originalmente desenvolvidos para circuitos impressos flexíveis e baseia-se numa combinação de tinta condutiva, dielétrica e resistiva. O sensor F-Scan é caracterizado por uma grade de linhas e colunas formadas por deposição de tinta condutiva a base de prata. Cada trilha sensora é revestida com uma tinta resistiva sensível a pressão de forma que uma célula sensora é criada em cada ponto de intersecção da grade. A resistência de cada célula sensora é inversamente proporcional à pressão aplicada na superfície. Pela varredura da grade e medição da resistência em cada ponto de intersecção, a distribuição de pressão na superfície do sensor pode ser determinada.

    As palmilhas que compõem o sistema (ilustradas na figura 4a) podem ser cortadas (ilustradas na figura 4b) para ajustar-se aos diferentes tamanhos de pés; uma técnica de impressão multicamadas permite a conexão das trilhas que formam a grade sensitiva em localizações intermediárias às suas extremidades. O equivalente flexível de uma placa de circuito de multicamadas é criado pela impressão de uma camada dielétrica isolante sobre as trilhas que conectam o sensor aos circuitos elétricos de varredura. Pequenos orifícios de acesso permitem conexão às áreas sensitivas das trilhas. Antes da grade de trilhas ser impressa, os orifícios são cheios com tinta condutiva para criar um equivalente flexível de um orifício de placa rígida. Desde modo, as extremidades das trilhas das grades podem ser cortadas para dar a forma desejada ao sensor mantendo a completa funcionalidade da área sensível restante.

Figura 4. (a) Palminha do sistema F-scan, (b) palminha do sistema F-Scan sendo cortada e (c) colocação da palmilha no sujeito.

    Quanto ao hardware do sistema são necessários os circuitos eletrônicos para medir o sinal do sensor F-Scan, divididos em dois componentes. A unidade do tornozelo, como ilustra a figura 5a e figura 5b, controla a varredura da grade do sensor e a conversão A/D das resistências medidas. Os dados digitais são então arranjados de forma serial e transmitidos através de um cabo coaxial ao resto dos circuitos, localizado em uma placa em um computador. Este receptor manipula os dados oriundos da unidade do tornozelo e coloca-os na memória do computador.

Figura 5. (a) Cuff (unidade do tornozelo), (b) colocação do cuff no sujeito e (c) sujeito com F-Scan

    Para Machado (1994) o sistema de software do F-Scan é projetado para demonstrar, comparar, armazenar e imprimir os dados coletados a partir dos sensores. O sistema opera em tempo real, onde a informação da distribuição de pressão aparece na tela enquanto o sujeito caminha sobre o sensor (figura 5c), e no modo "playback", que apresenta informações pré-gravadas. Nos dois modos os dados tomam a forma de gráficos 2D codificados por cores ou gráficos 3D (estrutura de arame). O gráfico 2D usa um espectro de cores a partir do azul escuro (pressões baixas) até vermelho (as pressões mais altas). O usuário pode ajustar a sensibilidade do gráfico para que toda a gama de cores corresponda à faixa de pressões de interesse. O gráfico 3D usa o eixo z para mostrar o nível de pressão. Cada interseção das linhas do gráfico representa um ponto sensor. Cada gravação consiste de diversos "quadros" de dados que fazem um "filme" dos movimentos que os sujeitos estão realizando.

    As figuras a seguir ilustram diversas formas de visualização da distribuição da pressão no sistema F-Scan.

Figura 6. Formas de visualização da distribuição da pressão.

    Quanto à apresentação dos dados através da tela do microcomputador (figura 6), a parte superior da tela apresenta os dados através do módulo bi-dimensional (2D) ou tri-dimensional (3D). A parte inferior da tela mostra, caso seja interesse do pesquisador, gráficos de força x tempo ou pressão x tempo. Quanto ao modo de pressão disponível pode-se selecionar até quatro áreas na planta do pé e monitora-se a pressão média sobre estas regiões específicas. A tela pico de pressão/centro de força é usada para resumir os dados a partir de um único movimento e gravar os picos de pressão em cada célula sensora durante um período de tempo (Machado 1994).

Figura 7. Apresentação dos dados do sistema F-Scan através da tela do microcomputador.

Metodologia

    O grupo de estudo foi constituído por acadêmicos e profissionais da Educação Física do Centro de Educação Física da Universidade Federal de Santa Maria que se dispuseram em participar do trabalho. Foram avaliados 13 indivíduos de ambos os sexos com idades entre 18 e 31 anos, peso corporal 681,57 ± 95,51 N e estatura 1,73 ± 0,08 m.

    Para a coleta de dados utilizaram-se duas plataformas OR6-5 AMTI (Advanced Mechanical Technologies, Inc.) e o sistema F-Scan (Tekscan Inc. USA) simultaneamente. Durante a coleta as plataformas encontravam-se distantes 10 cm uma da outra. Primeiramente foram posicionadas as palmilhas do F-Scan, em ambos os membros dos indivíduos de acordo com as dimensões dos pés de cada um. Os sujeitos utilizaram-se para a aquisição dos dados durante a realização da marcha as palmilhas e a plataforma de força simultaneamente. Cada sujeito realizou seis tentativas para a marcha. As variáveis estudadas foram: força vertical máxima e o impulso, ambas foram normalizadas pelo peso corporal dos sujeitos (PC).

    Para a análise dos dados foi aplicada estatística descritiva. Para verificação da normalidade dos dados foi utilizado Shapiro-Wilk. Como os dados não apresentaram distribuição normal, foi utilizado para comparação das médias das variáveis entre os dois sistemas o teste não-parametrico Kruskal-Wallis. Primeiramente foi aplicado o teste Kruskal-Wallis entre os membros direito e esquerdo em cada variável. Como os dados mostraram estatisticamente diferentes, estes foram analisados separadamente também pelo teste Kruskal-Wallis. O nível de significância adotado para todos os testes foi de 5%.

Resultados

    Na tabela 1 estão ilustrados a média e o desvio padrão dos valores do membro direito e esquerdo com utilização do F-Scan e da plataforma de força durante a marcha, bem como o valor da probabilidade de significância (p-value).

Discussão

    O impulso apresentou valores estatisticamente significativos entre os sistemas, estando sempre superiores no sistema 2. Azevedo et al. (2005) utilizaram a plataforma de força para comparar a marcha de adultos jovens com uso de calçado esportivo falsificado, apresentando valores de impulso semelhantes aos encontrados pelo presente estudo para este mesmo sistema. Da mesma forma Pasa et al. (2006) encontrou valores de 0,57 PC.s e 0,58 PC.s para o membro direito e esquerdo respectivamente em estudo realizado com adultos jovens e valores de 0,63 PC.s para o membro esquerdo e 0,59 PC.s para o membro direito durante a marcha de um indivíduo jogador de futebol. Não foram encontrados estudos que tragam valores de impulso utilizando o sistema 1. Logo, pode-se inferir que a plataforma seria, neste caso, o sistema de coleta de dados mais apropriado.

    Quando a Fzmáx foi avaliada não foi verificada diferença estatisticamente significativa entre os sistemas. Os valores aqui encontrados vão ao encontro dos apresentados por Amadio e Serrão (1992), que avaliaram idosos durante a atividade de marcha com valor de 1,3 PC, utilizando a plataforma de força. Da mesma forma Estrázulas et al. (2005) avaliaram a marcha de 38 indivíduos com idades acima de 60 anos encontrando valores de 1,07 PC e 1,16 PC para as velocidades de 4 km/h e 5 km/h, respectivamente. Comparando os valores com dados da literatura que referenciam indivíduos normais, Pasa et al. (2005) avaliaram a marcha de um jogador de futebol de 20 anos de idade. Os valores encontrados pelos autores foram de 1,09 PC para o membro esquerdo e 1,10 PC para o membro direito. Estes valores vão ao encontro dos dados aqui encontrados, usando o sistema 2.

    Mesmo que exista a possibilidade de avaliação pelo sistema F-Scan, os estudos que o utilizam são escassos. Os valores encontrados pelo presente estudo para esse sistema são inferiores aos encontrados por Sacco et al. (1997) comparando crianças obesas e crianças não obesas, sendo estes de 1,10 PC para o membro direito e de 1,19 PC para o membro esquerdo para o grupo de obesos e de 1,13 PC para o membro direito e de 1,04 PC para o esquerdo em crianças não obesas. Vianna e Greve (2006) encontraram em seus estudos valores de 0,89 PC tanto para homens como para mulheres. Logo os valores do presente estudo são menores aos encontrados por Sacco et al. (1997), e maiores que os encontrados por Vianna e Greve (2006). Através dos resultados destes estudos percebe-se que os valores referentes ao sistema F-Scan são inferiores aos da plataforma de força.

Conclusão

    Os resultados encontrados mostram que existem diferenças entre os valores obtidos pelos dois sistemas. Como a literatura indica que a plataforma de força é um instrumento adequado para a medição da força de reação do solo, conclui-se que a utilização do sistema F-Scan para esta finalidade deve ser feita com a devida cautela.

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