“Humano digital” ajuda a evitar a pressão causada nos joelhos

Uma simulação informática que relaciona os padrões de ativação muscular com a pressão prejudicial sobre o joelho ajuda os participantes a adotar estratégias protetoras do joelho à medida que caminham.

O engenheiro de investigação de Stanford, o autor principal do artigo, Scott Uhlrich concentra-se num gráfico de barras que regista quais os músculos das pernas que está a utilizar enquanto caminha numa passadeira.

O gráfico de barras treina os participantes no estudo para favorecer os músculos que exercem menos pressão sobre os joelhos.

De acordo com o comunicado da Stanford Medicine, os investigadores descobriram como reduzir a força no joelho, ensinando os participantes no estudo a utilizar diferentes músculos à medida que caminham.

Ao utilizar os resultados de uma simulação informática detalhada, denominada de “humano digital”, os participantes num pequeno estudo publicado a 7 de Julho na Scientific Reports, conseguiram reduzir a carga sobre os joelhos numa média de 12%, um benefício equivalente a uma pessoa que perde cerca de 20% do seu peso corporal total.

A carga mais leve pode aliviar a dor causada pela osteoartrite ou prevenir lesões articulares.

“Temos agora modelos matemáticos e computacionais suficientemente realistas do movimento humano que podemos mudar a forma como o cérebro excita os músculos numa simulação, e ver como isso afeta as cargas articulares”, disse Scott Delp, PhD, professor de bioengenharia, diretor da Wu Tsai Human Performance Alliance e autor sénior do estudo

“Por exemplo, se o seu joelho doer, como podemos mudar as forças no seu joelho para que se sinta melhor?” disse o autor sénior do estudo.

A dor de joelho é galopante. Quase um quarto dos americanos com 45 anos ou mais sofrem de osteoartrite do joelho, e a dor no joelho é responsável por quase 4 milhões de visitas a médicos de cuidados primários todos os anos.

“Sabemos há algum tempo que a maioria da força que comprime o joelho é na realidade causada por forças musculares, de músculos que cruzam o joelho e geram força quando se contraem”, disse Scott Uhlrich.

Quando uma pessoa caminha, a força que empurra os ossos contra o joelho é equivalente a duas a quatro vezes o seu peso corporal, durante a corrida ou a prática de desporto, a força sobre o joelho é ainda maior. Esta compressão repetitiva pode desgastar-se na cartilagem, causando osteoartrose.

Os tratamentos tradicionais para a osteoartrite incluem a perda de peso, o apoio do joelho e a substituição das articulações, mas nenhum destes tratamentos visa as forças musculares, disse Uhlrich.

Ao contrário de um robô, que é construído com um único motor para alimentar cada articulação, os humanos têm múltiplos músculos que cruzam os joelhos, tornozelos e ancas. “Temos muito mais músculos do que precisamos para andar”, disse Uhlrich, “o que dá ao nosso cérebro muitas opções para quais músculos usar”.

Por exemplo, dois músculos diferentes da barriga das pernas — o gastrocnêmio e o solado — podem fazer a mesma ação de empurrar o pé para baixo, mas apenas o gastrocnêmio atravessa o joelho e cria uma força de compressão.

“As pessoas não se apercebem de quão fortes são as forças destes músculos”, disse Delp.

“Por exemplo, se engatar o seu tendão de Aquiles, que prende o gastrocnêmio e o sóleo ao calcanhar, à parte de trás de um pequeno carro, excitando esses músculos poderia realmente levantar o carro“.

Toda essa força pode ser prejudicial para o joelho. Mas com o “humano digital”, os investigadores conseguiram encontrar estratégias de coordenação muscular que geraram menos força sobre a articulação do joelho.

Descobriram que ao aumentar a ativação do músculo solado e diminuir a ativação do músculo gastrocnêmio, podiam reduzir drasticamente a força no joelho sem alterar a marcha de uma pessoa.

O que os investigadores não sabiam era se pessoas reais poderiam empregar estas estratégias de coordenação muscular durante uma tarefa complexa como caminhar.

“Pode não se pensar em caminhar como uma atividade complicada”, disse Delp, “mas há muita coisa a acontecer”.

Cada vez que o cérebro diz a um músculo para se mover, ele envia um pequeno sinal elétrico que pode ser medido no músculo através da eletromiografia (EMG), semelhante à forma como um eletrocardiograma mede a atividade elétrica no coração.

Estudos anteriores mostraram que dar aos participantes uma representação visual da sua atividade muscular — biofeedback EMG — poderia ajudá-los a relaxar esses músculos, mas apenas enquanto se sentam quietos e fazem uma tarefa simples, tal como mover um dedo para cima e para baixo. Ninguém o tinha testado para andar.

Scott Uhlrich foi a primeira pessoa a ser testada, fixou elétrodos EMG aos músculos das suas pernas enquanto caminhava numa passadeira para que pudesse visualizar os músculos que estavam a ser utilizados.

“No início tentei-o apenas com os dados EMG em bruto”, disse Uhlrich “mas os padrões eram demasiado complicados. Percebi que precisávamos de simplificar o feedback”.

Após diversas experiências, os investigadores estabeleceram um único gráfico de barras que ensinaria as pessoas a reduzir a ativação do seu músculo gastrocnêmio, ao mesmo tempo que aumentava a utilização do seu músculo solado.

“Assim que consegui simplificar o sinal e fazê-lo eu próprio com sucesso, pus o Dr. Delp na passadeira”, explica Uhlrich. “Quando ele também o fez muito rapidamente, trouxemos mais pessoas para o estudo”.

A cada passo, os participantes tentaram encolher a barra num gráfico mostrando a relação entre a ativação do seu músculo gastrocnêmio e a sola.

Após apenas cinco minutos deste biofeedback, todos os 10 participantes no estudo foram capazes de reduzir significativamente a utilização do seu gastrocnêmio em comparação com o seu solado enquanto caminhavam.

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Quando os investigadores removeram o biofeedback e testaram se os participantes podiam manter a nova estratégia de coordenação muscular após seis minutos de marcha sem biofeedback, 8 em cada 10 participantes foram capazes de o fazer, resultando numa diminuição da carga sobre o joelho em seis destes casos.

Como o estudo inicial incluía apenas voluntários saudáveis, o passo seguinte será testar as estratégias de coordenação muscular em pacientes com osteoartrite para determinar se a força reduzida no joelho se traduz numa redução da dor e de outros sintomas.

Quanto tempo depois de uma sessão de biofeedback os participantes podem manter o novo padrão de ativação muscular? Tornar as mudanças permanentes iria provavelmente requerer mais do que uma ou duas sessões, sustenta Delp.

Os investigadores imaginam um futuro no qual os lançadores de basebol poderiam entrar num laboratório, ter uma simulação personalizada do seu cotovelo feita, e utilizar esse “atleta digital” para identificar estratégias de coordenação muscular para proteger os seus ligamentos. Depois, poderiam ir para casa com um dispositivo de biofeedback que lhes permitiria treinar os músculos para evitar lesões.

Com o humano digital, pode-se experimentar tudo“, diz Delp. “E quando se combina com o que descobrimos neste artigo — que se pode ensinar às pessoas novas estratégias para coordenar os seus músculos — abrem-se tantas portas…”

  Inês Costa Macedo, ZAP //

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