Modelo biomecânico tridimensional para análise das forças internas atuantes na coluna cervical superior e inferior durante o ciclismo

Abstract

Elevados índices de dor cervical e lombar têm sido reportados em ciclistas. Fatores como a postura adotada na bicicleta, a ativação dos músculos extensores da coluna e a ação de cargas mecânicas nas estruturas da coluna tem sido apontados como possíveis causas da dor. Embora relatados e aparentemente aceitos, poucos estudos objetivaram investigar estes fatores. Em adição, a dor crônica não específica é frequentemente diagnosticada em ciclistas, pois poucas evidências de anormalidade são observadas quando realizados exames radiológicos clínicos. O emprego de métodos biomecânicos de investigação, como a estimativa da magnitude da força muscular dos extensores da coluna e da força articular em diferentes níveis da coluna poderia contribuir para avaliação do risco de lesão e dor em decorrência do ciclismo, além de auxiliar na criação de estratégias de prevenção e programas de reabilitação. Assim, este estudo teve como objetivo quantificar e comparar as forças internas atuantes na coluna cervical durante o ciclismo em diferentes posturas, por meio do desenvolvimento e aplicação de um modelo biomecânico tridimensional in vivo. O modelo biomecânico proposto foi composto por dois segmentos rígidos (coluna cervical superior e inferior) conectados. O segmento coluna cervical superior compreende a cabeça, C1 e C2. O segmento coluna cervical inferior compreende as vértebras cervicais de C3 a C7. No segmento coluna cervical superior são considerados dois vetores de força muscular: FM1 (rectus capitis posterior major, rectus capitis posterior minor, obliquus capitis superior e obliquus capitis inferior) e FM2 (semispinalis capitis e splenius capitis). Já no segmento coluna cervical inferior estão inclusos os vetores FM3 (semispinalis cervicis) e FM4 (splenius cervicis). A resolução das equações de movimento de Newton-Euler é realizada por meio da solução inversa. Os parâmetros cinemáticos foram obtidos utilizando imagens externas da cabeça e coluna cervical, adquiridas por meio de quatro câmeras de vídeo digital com frequencia de amostragem de 25 Hz. Para estimar a localização dos centros de rotação (C2-3 e C6-7) foram realizados exames radiológicos convencionais estáticos. Os parâmetros de massa e centro de massa foram retirados de tabelas antropométricas da literatura. Participaram do estudo 12 ciclistas com pelo menos dois anos de experiência competitiva cada. O estudo foi aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa da Universidade Federal do Rio Grande do Sul e os sujeitos assinaram um termo de consentimento livre e esclarecido. Cada participante foi avaliado utilizando sua própria bicicleta acoplada a um ciclossimulador magnético, em duas etapas realizadas no mesmo dia. Inicialmente foi mensurada a massa corporal total do individuo e em seguida identificados e marcados 14 pontos anatômicos de interesse com uma caneta dermatográfica. Durante as avaliações foram fixos marcadores revestidos com papel reflexivo e contendo chumbo no interior em todos os pontos anatômicos de interesse. Na Etapa I os sujeitos pedalaram durante 2 minutos em cada postura (ereta, descanso, intermediária, ataque e cotovelos flexionados), sendo coletados dados cinemáticos durante os últimos 30 segundos de cada uma. Na Etapa II foram realizados exames radiológicos estáticos em cada uma das 5 posturas analisadas (ereta, descanso, intermediária, ataque e cotovelos flexionados) e em flexão e extensão máximas da coluna cervical. Os resultados indicam que as forças internas atuantes nas estruturas da coluna cervical apresentaram maiores magnitudes nas posturas que envolvem a prática do ciclismo (descanso, intermediária, ataque e cotovelos flexionados), quando comparadas a postura de referência (ereta). Observando somente as posturas que envolvem o ciclismo, as forças internas aumentaram gradativamente a medida que os ciclistas transferiram o apoio de suas mãos da região superior para a região inferior do guidão, adotando as posturas descanso, intermediária e ataque, respectivamente. Entretanto, as maiores magnitudes das forças internas foram observadas quando os ciclistas efetuaram o apoio das mãos envolvendo os manetes e flexionaram a articulação do cotovelo (postura cotovelos flexionados). Proporcionalmente os maiores aumentos das forças internas ocorreram na coluna cervical superior, porém as maiores magnitudes das forças internas foram alcançadas na coluna cervical inferior. O processo de avaliação demonstrou que o modelo biomecânico tridimensional da coluna cervical proposto foi considerado capaz de representar de maneira confiável o sistema de interesse. Os resultados encontrados são coerentes, sendo o modelo um instrumento adequado para estimar as forças internas atuantes na coluna cervical durante o ciclismo em diferentes posturas.

High index of cervical and lumbar pain had been registered in cyclists. Factors as a posture adopted on bicycle, the activity of spine extensor muscles and the action of mechanical load in the spine structures had been put like possible causes of pain. Although related and apparently accepted, few studies investigate these factors. In addition, the non-specific chronic pain is frequently diagnosed in cyclists, because few evidences of abnormalities are investigated when clinic radiologics exams are done. The use of biomechanical methods of investigation, like the estimate of muscular force magnitude of extensors of spine and of joint force in different levels of spine can be contributed to evaluation of injury risk and pain caused by cycling, beyond the assist in strategies of prevention and rehabilitation programs. Therefore, this study had like objective to quantify and compare the active internal forces in the cervical spine during cycling in different postures, through development and application of three dimensional in vivo biomechanical model. The biomechanical model suggested was compound by two rigid segments (upper and lower cervical spine) connected. The upper cervical spine segment include head, C1 and C2. The lower cervical spine segment include cervical vertebraes of C3 to C7. In the upper cervical spine segment are considered two vectors of muscular force: FM1 (rectus capitis posterior major, rectus capitis posterior minor, obliquus capitis superior e obliquus capitis inferior) and FM2 (semispinalis capitis e splenius capitis). In the lower cervical spine segment are included the vectors FM3 (semispinalis cervicis) and FM4 (splenius cervicis). The resolution of movement equation of Newton-Euler is done through inverse dynamics. The kinematic parameters were obtained using external images of head and cervical spine, acquired by four digital video cameras with sampling frequency of 25 Hz. To estimate the location of rotation centers (C2-3 and C6-7) statics conventional radiologic exams were done. The parameters of mass and center of mass were removed of anthropometric tables of literature. 12 cyclists with at least two years of competitive experience each one participated of the study. The study was approved by Ethics Committee in Researches of Federal University of Rio Grande do Sul and the subjects signed a free and clear consent term. Each participant was assessed using your bicycle attached in a magnetic cycle simulator, in two stages done in the same day. Initially the total body mass of subjects was measured and then 14 anatomic points of interest were identified and marked with a dermatography pen. During the evaluation markers encased with reflective paper and containing lead inside of these markers were fixed in all anatomic points of interest. In the stage I the subjects rode a bicycle during 2 minutes in each posture (upright neutral, rest, intermediate, attack and flexed elbows). The kinematic data were collected during the last 30 seconds of each one. In the stage II static radiologic exams were done in each of 5 analyzed postures (upright neutral, rest, intermediate, attack and flexed elbows) and in maxim flexion and extension of cervical spine. The results indicate that the internal forces active in the structures of cervical spine presented more magnitudes in the postures that involve the cycling practice (rest, intermediate, attack and flexed elbows), when compared to reference posture (upright neutral). Observing just the postures that involve the cycling, the internal forces gradually increased as cyclists transferred the your hands from upper to lower region of handlebar, adopting the rest, intermediate and attack postures, respectively. However, the greater magnitude of internal forces were observed when the cyclists hands involving the brake levers and flexed the elbow joints (flexed elbows posture). Proportionally the greatest increase of internal forces occurred in the upper cervical spine, however the greatest magnitudes of internal forces were reached in the lower cervical spine. The evaluation process demonstrated that the three dimensional biomechanical model of cervical spine was considered able to represent of reliable way the interest system. The results found are coherent, the model is an adequate instrument to estimate the internal forces active in the cervical spine during cycling in different postures.