Um método para medida de movimento em estudos biomecânicos de coluna vertebral

Segundo Panjabi(10), existem três tipos de estudo biomecânico de coluna vertebral, com complexidade e utilidade clínica crescentes: testes de força, de fadiga e de estabilidade.

Os testes de força são feitos pela aplicação de uma força progressivamente maior, até que ocorra falência estrutural. Esse tipo de teste oferece informações básicas sobre o comportamento do segmento de movimento (SM), sua tolerância máxima a cargas, rigidez e padrão de falência. O de fadiga é feito mediante a aplicação repetida de uma carga, até que ocorra falência estrutural. A informação obtida é o número de ciclos de carga necessários para que ocorra a falência. Os teste de estabilidade medem o movimento que ocorre no SM estudado, a partir da aplicação de diversas cargas com sentidos diferentes. Nestes, pode-se medir a rigidez e as amplitudes de movimento de um mesmo SM ao longo e em torno dos três eixos ortogonais (x, y, z) com variadas cargas e sob efeito de diversas situações estruturais diferentes (SM intacto, submetido a lesão, fixado cirurgicamente com uma ou outra técnica operatória).

No Brasil, o estudo da biomecânica da coluna iniciou-se em 1987(9). Desde então, quase todos os estudos realizados foram de força(1,5,8,14,17). Uma das limitações para que se pudesse realizar estudos de estabilidade em nosso meio era a inexistência dos dispendiosos sistemas eletrônicos de medida de movimento comumente recomendados na literatura(7,13,18).

Os autores propõem o uso de um método de medida de movimentos rotatórios em torno dos eixos x (flexão/extensão), y (rotação axial bilateral) e z (inclinação lateral para a direita e esquerda) simples e barato, que pode preencher essa lacuna.

MÉTODO

O método descrito funciona acoplado ao sistema de transmissão de força utilizado por Panjabi et al.(11) e descrito em detalhe por Dickman et al.(4) (fig. 1). Nesse sistema, a vértebra caudal do SM é presa a uma base e a superior a um cabeçote metálico. Por meio de um sistema de cabos e roldanas de configuração intercambiável (fig. 2), esse cabeçote pode receber forças em flexão, extensão, inclinação lateral para a direita, inclinação lateral para a esquerda e rotação axial para a direita e para a esquerda.

Após um conjunto de ensaios de força, se estabelece o valor aproximado das cargas destrutivas nos diversos movimentos (flexão, extensão, etc.) e se escolhe arbitrariamente uma carga para estudo que tenha valor inferior ao da carga destrutiva.

Estabelecidos os valores de trabalho, inicia-se o ensaio de estabilidade com um movimento qualquer, por exemplo: extensão. Para medir o movimento em extensão é colocado um ponteiro atarraxado à face anterior do cabeçote, o qual desliza sobre uma superfície de papel milimetrado (fig. 3). Uma vez atingida a carga em extensão preestabelecida, registra-se no papel milimetrado, com uma caneta, a posição do ponteiro. Em seqüência, inverte-se o sistema de roldanas promovendo flexão. Novamente é aplicada a carga preestabelecida. A posição do ponteiro no momento em que se atinge essa carga é registrada no mesmo papel milimetrado. O ângulo existente entre os dois traços representa a amplitude total de movimento em flexo-extensão daquele SM para aquela carga. Durante o movimento de flexo-extensão, podem ocorrer pequenos movimentos acoplados em rotação axial ou inclinação lateral. Para impedir que esses movimentos acoplados desloquem o ponteiro sobre ou para longe do papel milimetrado, ele foi dotado de uma articulação em sua base, a qual permite pequenos movimentos laterais compensatórios (fig. 3).

Para medida de movimento de inclinação lateral para a direita e esquerda, emprega-se a mesma técnica descrita para flexo-extensão, porém com o ponteiro atarraxado à superfície lateral do cabeçote. Para a medida de rotação axial, um eixo é colocado preso ao centro do cabeçote e, a esse eixo, é fixado

o ponteiro (fig. 4). Da mesma forma, esse eixo é dotado de uma articulação em sua base que permite a compensação de movimentos acoplados. O registro das posições do ponteiro nas cargas desejadas é efetuado sobre uma folha de papel milimetrado disposta no plano horizontal.

DISCUSSÃO

O tipo e a grandeza dos movimentos possíveis dentro de um SM são muito variáveis. A formulação de que esses movimentos podem ser subdivididos em seis graus de liberdade, teoricamente, simplifica e torna possível a descrição destes movimentos(12). No entanto, a medida exata de qual e quanto movimento acontece num SM por ação de cada tipo de força aplicada é extremamente complexa(7,13,18). Isso é atestado pelo fato de que são raros os estudos nos quais o conjunto de todos os movimentos acoplados é descrito simultaneamente. Na maioria das vezes, são medidos apenas alguns movimentos, como, por exemplo: só flexão(21), flexão, extensão, rotação e translação vertical(3,19), só translação(15), flexão e rotação(20), flexão, extensão e rotação(16), flexão e extensão(6).

Geralmente, são descritos os movimentos principais decor-rentes de cada força, como, por exemplo: quantos graus de rotação em torno do eixo x ocorrem em função de um torque determinado, também aplicado em torno do mesmo eixo. Ideal-mente, deveriam ser estudados todos os movimentos "parasitas" ou acoplados decorrentes do mesmo torque (isto é: quantos graus, também, em rotação em torno dos eixos y e z, bem como como quantos milímetros em translação ao longo dos eixos x, y e z). Esse tipo de metodologia é obedecido apenas excepcionalmente na literatura revisada(12). O motivo para esse fato reside na extrema complexidade dos sistemas necessários para essas medidas de movimento. Em laboratórios com orçamentos mais vultosos, as medidas de movimento são habitualmente obtidas com auxílio de sistemas estereofotométricos computadorizados. Esses sistemas não estão disponíveis em nosso meio. Observa-se, entretanto, que, mesmo com essa tecnologia sofisticada, as dificuldades para uma descrição completa do movimento apreciado continuam existindo.

As dificuldades para essas medidas podem ser de dois ti-pos: qualitativas e quantitativas.

As dificuldades qualitativas dizem respeito ao tipo de movimento ocorrido. Um movimento provocado em torno de um eixo determina, simultaneamente, outras rotações e translações em torno e ao longo de outros eixos(13,20). A descrição exata de todos os movimentos existentes em determinado momento, portanto, exige cálculos extremamente complexos. Soma-se a isso o fato de que os eixos de rotação e translação se alteram sucessivamente ao longo de cada movimento. Con-forme descrito nos parágrafos anteriores, a maioria dos auto-res se restringe a descrever alguns dos movimentos observados, desprezando os movimentos acoplados. Uma solução proposta por Whitehill et al. para esse problema é comparar apenas a variação relativa entre as posições inicial e final de uma vértebra submetida a determinada força, em torno de um dos eixos ortogonais (x, y ou z)(21).

As dificuldades quantitativas referem-se ao módulo da medida. A precisão de cada método, em termos de graus, milímetros e suas frações ou múltiplos, varia. Métodos eletrônicos oferecem precisão considerada satisfatória. Métodos de contato (que funcionam pelo contato de um cursor com alguma superfície) são mais sujeitos a erro(18). Dependendo das amplitudes de movimento medidas, o erro percentual oferecido pelos métodos de contato pode ser mais ou menos significativo.

O método desenvolvido no presente trabalho também sofre de dificuldades qualitativas e quantitativas. A solução oferecida ao problema qualitativo é, conceitualmente, igual ao proposto por Whitehill et al.(21): são comparadas as posições inicial e final da vértebra móvel em torno de cada um dos eixos, desprezando-se as medidas dos movimentos "parasitas" ou acoplados. O método desenvolvido pelos presentes autores permite movimento livre do ponteiro no plano perpendicular ao plano que está sendo medido. Esse "balanço" lateral impede que o movimento acoplado contamine a medida principal. Do ponto de vista quantitativo, o método empregado pode ser considerado um método de contato rudimentar, de baixo custo. Sofre, portanto, dos defeitos dos métodos de contato.

O presente método foi empregado em um estudo realizado em nosso meio(2). Nesse trabalho foram medidas a amplitude da zona neutra e a amplitude total de movimento nos movimentos de flexo-extensão, inclinação lateral para a direita e esquerda e rotação axial bilateral, em colunas intactas e posteriormente operadas com duas técnicas de fixação diferentes. A distribuição homogênea das medidas obtidas nas condições pré e pós-operatórias (sendo cada espécime experimental seu próprio controle) sugere que o instrumento de medida ofereça margem de erro desprezível.

O método descrito é simples e de baixo custo. Na opinião dos autores, pode ser empregado de forma a enriquecer as informações oriundas de estudos biomecânicos de coluna vertebral em nosso meio.

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3. Coe, J.D., Warden, K.E., Sutterlin, C.E. & McAfee, P.C.: Biomechanical evaluation of cervical spinal stabilization methods in a human cadaveric model. Spine 14: 1122-1131, 1989.

4. Dickman, C.A., Crawford, N.R., Brantley, A.G.U. & Sonntag, V.K.H.: In vitro cervical spine biomechanical testing. B N I Quarterly 9: 1726, 1994.

5. Franco, J.S.: Estudo experimental das osteossínteses com placas e parafusos na fixação anterior da coluna cervical, Tese - Doutorado - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 1993.

6. Gill, K., Paschal, S. Corin, J. et al: Posterior plating of the cervical spine: a biomechanical comparison of different posterior fusion techniques. Spine 13: 813-816, 1988.

7. Goel, V.K., Nye, T.A., Clark, C.R. et al: A technique to evaluate an internal fixation device by the use of the Selspot system: an application to Luque closed loop. Spine 12: 150-159, 1987.

8. Machado, I.R.: Estudo experimental comparativo da fixação posterior do segmento subaxial da coluna cervical, através de aramagem sub-laminar, interespinhosa e placas de Roy-Camille, Tese - Doutorado - Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo, São Paulo, 1996.

9. Menezes Filho, L.A.: Compressão axial de corpos vertebrais humanos: ensaios com cargas lentas e progressivas, Tese - Doutorado - Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo, São Paulo, 1987.

10. Panjabi, M.M.: Biomechanical evaluation of spinal fixation devices: I. A conceptual framework. Spine 13: 1129-1134, 1988.

Panjabi, M.M., Abumi, K., Duranceau, J. & Crisco, J.J.: Biomechanical evaluation of spinal fixation devices: II. Stability provided by eight internal fixation devices. Spine 13: 1135-1140, 1988.

11. Panjabi, M.M., Krag, M.H. & Goel, V.Y.: A technique for measurement and description of three-dimensional six degrees of freedom motion of a body joint with an application to the human spine. Biomechanics 14: 447-460, 1981.

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15. Richman, J.D., Daniel, T.E., Anderson, D.D. et al: Biomechanical evaluation of cervical spine stabilization methods using a porcine model. Spine 20: 2192-2197, 1995.

16. Rodrigues, N.R.: Estudo experimental da resistência do segmento atlan-to-axial à compressão com cargas lentas e progressivas, Tese - Mestrado - Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo, São Paulo, 1995.

17. Smith, T.J.: In vitro spinal biomechanics: experimental methods and apparatus. Spine 16: 1204-1210, 1991.

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