DESCRIÇÃO DE SISTEMA DE AVALIAÇÃO DA CINEMÁTICA DO JOELHO EM LESÕES LIGAMENTARES A PARTIR DE RASTREAMENTO ÓPTICO E TOMOGRAFIA 3D

a Instituto de Ortopedia e Traumatologia, Hospital das Clínicas, Faculdade de Medicina, Universidade de São Paulo (USP), São Paulo, SP, Brasil
b Departamento de Engenharia Mecânica, Centro Universitário da Fundação Educacional Inaciana (FEI), São Bernardo do Campo, SP, Brasil

A reconstrução do LCA é uma das cirurgias ortopédicas mais feitas atualmente. Estimam-se aproximadamente 200.000 por ano nos EUA. 1

Apesar do grande número de pesquisas relacionadas à reconstrução do LCA, 2,3 os resultados excelentes ou bons variam de 69% a 95%. 4 Os insatisfatórios podem ser decorrentes da instabilidade persistente do joelho e consequente dificuldade de retornar à atividade física prévia. 5-9

A insuficiência do LCA é representada pela translação anterior da tíbia e pela instabilidade rotacional do joelho. 10 O teste do pivot-shift é usado para avaliar a estabilidade rotacional do joelho após a lesão do LCA. 11 Alguns autores demonstraram que a presença de um teste pivot-shift positivo é preditivo para o desenvolvimento de osteoartrose e de maus resultados funcionais. 12-15

Apesar de ser bastante específico (próximo de 100% sob anestesia), 16-19 o resultado desse teste é subjetivo por ser examinador-dependente e, portanto, impreciso para ser usado em trabalhos científicos. 10,15,18-21

Musahl et al. 20 demostraram que o teste do pivot-shift mecanizado, que consiste no uso de uma máquina de CPM (continuous passive motion) para a realização do movimento combinado de rotação interna, valgo e flexão do joelho, tem maior acurácia do que o manual.

Em conjunto com os sistemas de cirurgia assistida por computador, o fenômeno do pivot-shift pode ser aferido de forma satisfatória e ser usado para analisar a estabilidade do joelho após diferentes técnicas de reconstrução do LCA. 10,22

Portanto, o presente estudo tem por objetivo descrever um método de avaliação da cinemática do joelho antes e após a lesão do LCA a partir de tecnologias que permitam a avaliação da estabilidade ligamentar do joelho de forma objetiva. 23

Para tanto, apresentamos a seguir o aparelho de pivot-shift mecanizado e o sistema de rastreamento óptico associado à tomografia computadorizada.

Materiais e métodos

O experimento foi feito em joelho de cadáver, conforme aprovação do Comitê de Ética em Pesquisa. Todo o membro inferior do cadáver foi usado e foi preservada a articulação do quadril e do tornozelo.

Como critério de inclusão, foi selecionado um joelho sem prévia de lesão do LCA ou outras lesões ligamentares, sem osteoartrose moderada ou grave e sem evidências de fratura ou desalinhamento do eixo mecânico do membro.

Antes do início do experimento, desinserç ões e secç ões musculares foram feitas a fim de permitir total amplitude de movimento do joelho, conforme descrito a seguir: tenotomia da massa adutora na origem do púbis; secção dos músculos do quadríceps e do músculo isquiotibial em sua origem; tenotomia do tendão do calcâneo.

Pivot-shift instrumentado e estabilidade rotacional do joelho

O simulador mecânico de pivot-shift foi desenvolvido no Laboratório de Biomecânica (LIM-41) a partir de um aparelho de CPM (Carci, Ortomed 4060, Anvisa: 10314290029) semelhante ao modelo usado e validado por Bedi et al. 24

A bacia foi estabilizada na mesa de cirurgia e permitiu ao quadril e ao joelho amplitudes totais de movimento. Não havia apoio ou suporte com bandas na altura do fêmur ou da tíbia.

O aparelho de CPM foi projetado para permitir 15 ? de rotação interna do tornozelo tanto para o membro inferior do lado esquerdo quanto do direito. A compressão axial do tornozelo foi feita à velocidade angular de 1,62 ? /s, da extensão máxima até 50 ? de flexão do joelho 20 (fig. 1).

O momento de rotação interna e valgo do joelho foi feito por um sistema de cabo e polias acoplados ao CPM. O ponto de tração na tíbia foi definido por um pino de titânio fixado perpendicularmente à tuberosidade da tíbia com 10 cm de comprimento. A tração do pino de titânio foi perpendicular ao eixo da tíbia e com o mesmo vetor de força de 20 N25 durante todo o movimento de flexoextensão (0 ? a 50 ? ) 20 (fig. 2).

Aferição da translação anterior da tíbia

Foi feita por meio de um dinamômetro de mola (Sandes) pelo mesmo pino de titânio apresentado anteriormente e após calibração prévia com uma máquina universal de ensaios mecânicos (Kratos - modelo 5002, Cotia, Brasil). A força vertical aplicada, segundo estudo de Bedi et al., 26 foi de 68 N com o joelho a 30 ? de flexão.

Sistema de rastreamento óptico

O sistema de rastreamento (MicronTracker 2, modelo H40) permite obter o posicionamento do fêmur e da tíbia no espaço a partir da identificação de marcadores ópticos e a determinação dos movimentos de translação e rotação do joelho.

Três marcadores ópticos foram distribuídos ao longo de duas peças de acrílico em formato de L e fixados ao fêmur e à tíbia por dois pinos de titânio, a fim de se criar um sistema rígido. (fig. 3)

Uma rotina de computador foi desenvolvida (com o uso das bibliotecas do fabricante, na linguagem Basic) para reconhecer e salvar os dados tridimensionais capturados (XYZ) pelas câmeras do sistema de rastreamento óptico em tempo real (15 Hz, precisão de aferição fornecida pelo fabricante: 0,2 mm). (fig. 4)

O ponto central do joelho (usado como referência para o cálculo da rotação e da translação do joelho) foi definido a partir da tomografia computadorizada de todo o membro inferior após o término dos testes. (fig. 5)

Para haver correspondência entre o sistema de rastreamento óptico e a tomografia, filamentos radiodensos foram incluídos nas posiç ões centrais dos marcadores ópticos. (fig. 6)

O movimento do joelho foi calculado a partir de matrizes de rotaç ões e translaç ões entre os sistemas de coordenadas da câmera e da tomografia e sistemas de coordenadas posicionados nos marcadores baritados e no centro do joelho. Nesse ponto, foram criados sistemas de coordenadas para a tíbia e para o fêmur. Um dos eixos coincidiu com o respectivo eixo de cada osso, um horizontal e outro vertical. Esses dois sistemas de coordenadas são determinados, para cada instante de tempo, pelos sistemas de coordenadas dos marcadores.

A rotação em torno dos eixos e a translação do ponto central do joelho são obtidas pela matriz de rotação e translação entre os sistemas de coordenadas femoral e tibial. Esse procedimento foi desenvolvido com o uso do programa computacional GNU Octave.

Protocolo

Os testes foram executados em duas etapas: antes e após a dissecção sob visualização direta do LCA em sua origem e inserção.

Em cada etapa, foram aferidas três medidas da translação anterior da tíbia por meio do dinamômetro manual (68 N) e três movimentos de flexoextensão do joelho com o pivot-shift mecanizado, conforme descrito anteriormente.

Resultados

Joelho de cadáver do sexo masculino, 45 anos, lado direito.

Os pontos centrais do joelho (fêmur distal e tíbia proximal) capturados tridimensionalmente (fig. 7) ao longo da flexoextensão do joelho foram analisados no domínio do tempo.

O aumento da distância entre as posiç ões do centro do fêmur e do centro da tíbia entre a extensão máxima e a flexão máxima do joelho representa o fenômeno do pivot-shift (fig. 8, linha vermelha).

A figura 9 mostra a translação anterior da tíbia com o joelho fletido a 30 ?em relação ao fêmur antes e após 68 N ou 15 lb 25 de tração através do pino de titânio no sentido perpendicular à tíbia.

A figura 10 mostra um gráfico polar que representa os movimentos combinados de translação e rotação da tíbia em relação ao fêmur na flexoextensão do joelho.

Discussão

A principal colaboração deste estudo está em mostrar a viabilidade de um protocolo de mensuração de rotação e translação do joelho com ferramentas objetivas (erro < 0,2 mm) e reprodutíveis. Além disso, a tecnologia desenvolvida para a correlação entre o sistema óptico e tomográfico e a metodologia computacional para a descrição do movimento são de propriedade intelectual nacional.

Lane et al. 10descreveram que o sistema de graduação clínica em glide, clunck e gross da estabilidade do joelho por ortopedistas experientes é valioso. Contudo, é subjetivo e não reprodutível entre os cirurgiões e, por esse motivo, não deveria ser usado em trabalhos científicos. 27

O sistema mecanizado de provocação do teste do pivot-shift é independente do examinador e permite sempre a mesma velocidade angular e tração de 20 N por todo o movimento.

O fato de o teste ser mecanizado também diminui o risco de vieses e erros e aumenta a validade interna do estudo. 28 Como consequência, a qualidade e a representatividade do estudo também aumentam.

Outra importante nota técnica referente à presente metodologia refere-se ao uso da tomografia para a definição do centro de rotação do joelho. Essa seleção pode ser feita após o término do experimento e é possível definir, por exemplo, a translação da tíbia em relação ao fêmur nos compartimentos lateral, medial ou intercôndilo. A tomografia computadorizada tridimensional também permite a reconstrução do joelho em qualquer plano e possibilita o alinhamento do joelho e a correta mensuração da posição dos túneis femoral e tibial. 29,30

O fenômeno do pivot-shift apresentado na figura 8 está em concordância com os estudos de Bull et al., 31 em que a subluxação do joelho ocorre entre 25 ? e 36 ? . Outros estudos demonstraram a redução do joelho subluxado entre 40 ? e 44 ? de flexão. 10

Uma limitação metodológica dos estudos biomecânicos refere-se à realização do experimento no time-zero, ou seja, imediatamente após o procedimento cirúrgico da reconstrução do LCA. Neste estudo em específico, como não foi feita a reconstrução ligamentar, e as mudanças nas propriedades mecânicas do enxerto durante o período de integração biológica não interferiram na análise dos resultados apresentados.

Novos estudos são desejáveis para a análise da biomecânica do joelho com túneis nas diferentes posiç ões anatômicas. Cross et al. 32argumentam que não há consenso, na literatura, sobre em qual local do foot print original deve ser feito o túnel do LCA.

Conclusão

A relevância clínica do presente estudo está em fazer inferências sobre o comportamento in vivo de um joelho com lesão do LCA e proporcionar aos estudos futuros maior qualidade metodológica para a aferição de técnicas cirúrgicas com enxertos em posiç ões relativamente próximas.

Conflitos de interesse

Os autores declaram não haver conflitos de interesse.

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