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Felipe P Carpes [email_address] www.ufsm.br/gepec/biomec.html  Biomecânica de tendões, ligamentos e músculo esquelético
Ossos Articulações Tendões -Ligamentos Músculos SNC
Objetivos da aula Discutir as propriedades mecânicas de ossos, músculos, articulações, tendões e ligamento; Apresentar conceitos básicos referentes ao sistema músculo-esquelético e suas características biomecânicas; Descrever mecanismos de interação entre os tecidos ósseo, muscular e nervoso com base na neuromecânica; Apresentar fatores selecionados que influenciam as propriedades mecânicas destes tecidos.
[object Object],[object Object],[object Object],Tendões e ligamentos
 
Diferença nos feixes da arquitetura Tendões Ligamentos Ligam o músculo ao osso Ligam duas estruturas ósseas 99% colágeno tipo I –  mais denso 1% colágeno do tipo II 90% colágeno do tipo I 10 % colágeno do tipo II Fibras ordenadas paralelamente Fibras paralelas e outras oblíquas Cargas tensionais unidirecionais Cargas tensionais em uma direção principal e em direções secundárias
Tendão (T)  x  Ligamento (L) T L
Quanto maior a AST do ligamento/tendão, maior a resistência a ruptura
Comportamento mecânico de um tendão Histerese tendência de um material ou sistema de conservar suas propriedades na ausência de um estímulo que as gerou Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec com carga sem carga Deformação Tensão
Noyes et al, 1977
Entorses de tornozelo Grau I (leve)  estiramento da região Grau II (moderado) estiramento e ruptura parcial (pode gerar edema) Grau III (grave) estiramento e ruptura total com possível avulsão  do osso (envolve edema) Relação entre a AST do músculo e AST do tendão => força muscular transferida
Coelhos  – o tendão é responsável  por boa parte do estiramento do SO em tensões que correspondem ao repouso fisiológico
Tendão de Aquiles livre (sem aponeurose) suportou uma deformação de 8% enquanto a aponeurose suportou 1,4%. O tendão pareceu ser mais “elástico” do que a aponeurose. Os aspectos mecânicdos do tendão e aponeurose do tríceps sural são de grande importância  devido a sua participação na locomoção, onde cargas de até 11kN/cm2 são observadas (Komi et al 1987, 1992). As diferenças entre a aponeurose e o tendão, e os alto risco que ambos apresentam de lesão (junção músculo-tendínea) permanecem sendo desafios para os estudos clínicos.
 
LCP - Função normal
[object Object],LCP - ruptura LCP – avulsão da tíbia
Envelhecimento
Imobilização Mesmo após 8 semanas de imobilização o tendão tenha perdido rigidez, o principal efeito da imobilização foi sobre o tendão em si, mas sobre a ocorrência de osteoporose na inserção.
Músculo Esquelético
Tipos de tecido muscular Músculo esquelético Músculo cardíaco Músculo liso Involuntário  órgãos internos núcleo central Involuntário estriado núcleo central Voluntário estriado multinucleado
COMPONENTES DO MÚSCULO COMPONENTES ELÁSTICOS São aqueles que retornam a sua forma original após o relaxamento. Exemplo: Miofilamentos e o tecido conjuntivo. COMPONENTES PLÁSTICOS São aqueles que não retornam à forma original cessada a contração, se não houver influência externa. Exemplo: Mitocôndrias  Retículo Sarcoplasmático Sistema Tubular
[object Object],[object Object],[object Object]
Organização espacial dos músculos
Posteriores Mediais Anteriores Femur BF ST SM VL VM RF AM AL SA Gr. VL vastus lateralis VM vastus medialis RF rectus femoris SA sartorius AM adductor magnus AL adductor lateralis GR gracilis BF biceps femoris SM semitendinosus SM semimembranus Organização espacial dos músculos - coxa Ucalgary, HPL
posteriores Posteriores profundos anteriores laterais tibia fibula soleus FHL TP EDL EHL TA PL PB gastrocnemius FDL Organização espacial dos músculos - perna GM gastroc medialis SO soleous FHL flex hallucis long PB peroneous brevis PL peroneous longus EDL ext digit long EHL ext hallucis long FDL flex digitorium long TA tibialis anterior Ucalgary,HPL
Locomoção Músculos e ossos: forças e alavancas Posicionamento do corpo Movimentos rápidos, lentos, acelerações,  desacelerações Postura Mantém posturas (boas e más),  estabilidade articular Funções primárias relacionadas ao movimento
Controle postural
 
Músculo Fascículos Fibras musculares Miofibrila Sarcômero Fibras musculares
 
 
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Eficiência neuromuscular
iEMG Força antes depois Aumento na ativação Sem mudanças na razão EMG/F iEMG Força Sem mudanças na ativação Aumento na razão EMG/F Figura 1 (A) Figura 1 (B) = ≠ Ganho de força por fatores neurais Ganho de força por fatores hipertróficos Avaliação da participação de fatores neurais e hipertróficos Moritani & Devries, 1979
 
Tipos de fibra Lentas - I  Rápidas – IIa, IIb
Recrutamento em uma contração voluntária máxima
Recrutamento de acordo com a força requerida
 
Johnson et al 1973
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unipenado multipenado bipenado fusiforme Arquitetura muscular
Secção transversa anatômica Secção fisiológica Perpendicular as fibras Arquitetura muscular Perpendicular ao músculo
Muscle Nerve 23: 1647–1666, 2000 Músculos com maior área de seção transversa produzem mais força Por quê?
A força total é proporcional aos número de sarcômeros em paralelo A velocidade é proporcional a quantidade de sarcômeros em série
O treinamento físico faz aumentar o ângulo de penação das fibras musculares
Knee Surg Sports Traumatol Arthrose 14:310-17, 2006
 
 
Vídeo arquitetura muscular
Músculos monoarticulares x biarticulares Monoarticulares Cruzam uma articulação Produtores de força Estabilização articular Controle de movimento Penados na maioria Biarticulares Músculos longos Fusiformes na maioria Controle e direcionamento de grandes amplitudes de movimento Mais propensos a lesões
Membro inferior humano Cinemática de 3 segmentos (coxa, perna e pé); pé no solo. A ação muscular cria um vetor de força F.
(a) Extensores do quadril,  monoarticulares  (psoas) (b) Extensores do joelho,  monorticulares  (grupo vastus) (c) Extensores do tornozelo,  monoarticular  (soleus)
(d)  biarticular , rectus femoris, (flexor do quadril e extensor do joelho) (e)  biarticulares , posteriores da coxa (extensor do quadril e flexor do joelho) (f)  biarticular , gastrocnemius (flexor do joelho e extensor do tornozelo)
[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],Classificação quanto à tarefa
Ações musculares Concêntrica: músculo gera tensão enquanto seu comprimento diminui. Torque int > torque ext Isométrica: músculo gera tensão mas não ocorre movimento Excêntrica: músculo gera tensão enquanto seu comprimento aumenta. Torque int < torque ext
Relação Força x Velocidade – Hill (1938) Músculos longos – efeito em série predomina aumentando a  VELOCIDADE Músculos curtos  – Efeito em paralelo, maior ASTF e predomina a  FORÇA Baseado em Herzog et al (2007)
Fatores (selecionados) que influenciam a produção de força
Zatsiorsky, 1996 Sexo e idade Idade (anos) Força (N) Homens Mulheres
Envelhecimento
Força (% máxima) Comprimento (µm) 1 2 3 4 0 1,27 2,00 3,60 5 2,17 1,70 Força x Comprimento 100 Gordon et al., 1966 Fibra de sapo 2,17 µ  2 2,00 µ   3 1,70   µ   4 3,60 µ 1 1,27   µ 5
Adaptação funcional do músculo-esquelético Herzog et al, MSSE, 1991
comprimento momento
Vaz et al., 2003 Jogadores de vôlei e bailarinas clássicas apresentam adaptações específicas para músculos flexores e extensores plantares Encurtado Alongado
[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]
Sistema Nervoso Central (SNC) Unidade fundamental – neurônio http://www.utexas.edu/neuroscience/Neurobiology/WesThompson/images/1nmj.jpg
Neurônios motores: função de transmitir o sinal desde o SNC ao órgão efetor, para que este realize a ação que foi ordenada pelo comando central. Neurônios sensores: são os neurônios que reagem a estímulos exteriores e que disparam a reação a esses estímulos, se necessário.  Interneurônios: mais numeroso. Conecta os neurônios motores e sensoriais.
Sistema Nervoso Central (SNC) Unidade fundamental – neurônio Neurônio + fibras musculares inervadas = unidade motora (UM) Proporção entre nervos e fibras – determina precisão menores –  movimentos finos maiores –  movimentos grosseiros UM de contração lentas UM de contração rápida (IIa, IIB)
Princípio do tamanho (Elwood Henneman) Motoneurônios de  menor diâmetro inervam fibras lentas  (oxid) Motoneurônios  intermediários inervam fibras IIa  (oxid/glicolit) Motoneurônios de  grande diâmetro inervam fibras IIb  (glicol) Motoneurônios de menor diâmetro são mais facilmente excitados Logo: Fibras lentas  são estimuladas com limiares de excitação  mais baixos Fibras rápidas  são estimuladas com limiares de excitação  mais altos
Recrutamento de acordo com a força requerida (I) Percentual de fibras musculares recrutadas Força muscular Leve Moderada Máxima
Unidade Motora Ação Regulação  M a s  . . . medula espinhal nervo espinhal nervo espinhal (axônio) Corpo celular do neurônio fibra muscular Representação de uma UM (modificado de Basmajian, 1955) 50/58
Ação Regulação  Como saber ‘quando’ e ‘como’ recrutar?
VIAS =  AFERENTES  (“que aferem”) E  EFERENTES  (“que executam”)
Das teorias de controle e aprendizagem motora temos que o processamento de informação baseia-se em experiências prévias, mas também depende da interação dinâmica com o ambiente Adaptado de Lent (2003)
 
O que detectam os ÓRGAO TENDINOSOS DE GOLGI? Variação da tensão mecânica sobre os tendões. Estão em série com às Fibras Extrafusais   O que detectam os FUSOS MUSCULARES? Variação de comprimento das fibras musculares. Estão paralelos às Fibras Extrafusais Receptores proprioceptivos musculares  Motoneurônios    recebem uma cópia da informação proprioceptiva e realizam ajustes automáticos reflexos necessários. As unidades ordenadoras (os motonêuronios) recebem informações a cerca da tensão e da variação do comprimento das fibras musculares.
Referências básicas ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

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Aula 9 Biomec Musculos E Ossos Parte 2

  • 1. Felipe P Carpes [email_address] www.ufsm.br/gepec/biomec.html Biomecânica de tendões, ligamentos e músculo esquelético
  • 2. Ossos Articulações Tendões -Ligamentos Músculos SNC
  • 3. Objetivos da aula Discutir as propriedades mecânicas de ossos, músculos, articulações, tendões e ligamento; Apresentar conceitos básicos referentes ao sistema músculo-esquelético e suas características biomecânicas; Descrever mecanismos de interação entre os tecidos ósseo, muscular e nervoso com base na neuromecânica; Apresentar fatores selecionados que influenciam as propriedades mecânicas destes tecidos.
  • 4.
  • 5.  
  • 6. Diferença nos feixes da arquitetura Tendões Ligamentos Ligam o músculo ao osso Ligam duas estruturas ósseas 99% colágeno tipo I – mais denso 1% colágeno do tipo II 90% colágeno do tipo I 10 % colágeno do tipo II Fibras ordenadas paralelamente Fibras paralelas e outras oblíquas Cargas tensionais unidirecionais Cargas tensionais em uma direção principal e em direções secundárias
  • 7. Tendão (T) x Ligamento (L) T L
  • 8. Quanto maior a AST do ligamento/tendão, maior a resistência a ruptura
  • 9. Comportamento mecânico de um tendão Histerese tendência de um material ou sistema de conservar suas propriedades na ausência de um estímulo que as gerou Biomecânica - Felipe Carpes – www.ufsm.br/gepec/biomec com carga sem carga Deformação Tensão
  • 10. Noyes et al, 1977
  • 11. Entorses de tornozelo Grau I (leve) estiramento da região Grau II (moderado) estiramento e ruptura parcial (pode gerar edema) Grau III (grave) estiramento e ruptura total com possível avulsão do osso (envolve edema) Relação entre a AST do músculo e AST do tendão => força muscular transferida
  • 12. Coelhos – o tendão é responsável por boa parte do estiramento do SO em tensões que correspondem ao repouso fisiológico
  • 13. Tendão de Aquiles livre (sem aponeurose) suportou uma deformação de 8% enquanto a aponeurose suportou 1,4%. O tendão pareceu ser mais “elástico” do que a aponeurose. Os aspectos mecânicdos do tendão e aponeurose do tríceps sural são de grande importância devido a sua participação na locomoção, onde cargas de até 11kN/cm2 são observadas (Komi et al 1987, 1992). As diferenças entre a aponeurose e o tendão, e os alto risco que ambos apresentam de lesão (junção músculo-tendínea) permanecem sendo desafios para os estudos clínicos.
  • 14.  
  • 15. LCP - Função normal
  • 16.
  • 18. Imobilização Mesmo após 8 semanas de imobilização o tendão tenha perdido rigidez, o principal efeito da imobilização foi sobre o tendão em si, mas sobre a ocorrência de osteoporose na inserção.
  • 20. Tipos de tecido muscular Músculo esquelético Músculo cardíaco Músculo liso Involuntário órgãos internos núcleo central Involuntário estriado núcleo central Voluntário estriado multinucleado
  • 21. COMPONENTES DO MÚSCULO COMPONENTES ELÁSTICOS São aqueles que retornam a sua forma original após o relaxamento. Exemplo: Miofilamentos e o tecido conjuntivo. COMPONENTES PLÁSTICOS São aqueles que não retornam à forma original cessada a contração, se não houver influência externa. Exemplo: Mitocôndrias Retículo Sarcoplasmático Sistema Tubular
  • 22.
  • 24. Posteriores Mediais Anteriores Femur BF ST SM VL VM RF AM AL SA Gr. VL vastus lateralis VM vastus medialis RF rectus femoris SA sartorius AM adductor magnus AL adductor lateralis GR gracilis BF biceps femoris SM semitendinosus SM semimembranus Organização espacial dos músculos - coxa Ucalgary, HPL
  • 25. posteriores Posteriores profundos anteriores laterais tibia fibula soleus FHL TP EDL EHL TA PL PB gastrocnemius FDL Organização espacial dos músculos - perna GM gastroc medialis SO soleous FHL flex hallucis long PB peroneous brevis PL peroneous longus EDL ext digit long EHL ext hallucis long FDL flex digitorium long TA tibialis anterior Ucalgary,HPL
  • 26. Locomoção Músculos e ossos: forças e alavancas Posicionamento do corpo Movimentos rápidos, lentos, acelerações, desacelerações Postura Mantém posturas (boas e más), estabilidade articular Funções primárias relacionadas ao movimento
  • 28.  
  • 29. Músculo Fascículos Fibras musculares Miofibrila Sarcômero Fibras musculares
  • 30.  
  • 31.  
  • 33. Duchenne - estimulação de músculos da face Eletromiografia
  • 34. Vídeos EMG profundidade Matheus Vídeos EMG superfície
  • 35. EMG – como isso funciona?
  • 37. Vídeo EMG força-velocidade isocinético Vídeos Superfície e wire-EMG
  • 39. iEMG Força antes depois Aumento na ativação Sem mudanças na razão EMG/F iEMG Força Sem mudanças na ativação Aumento na razão EMG/F Figura 1 (A) Figura 1 (B) = ≠ Ganho de força por fatores neurais Ganho de força por fatores hipertróficos Avaliação da participação de fatores neurais e hipertróficos Moritani & Devries, 1979
  • 40.  
  • 41. Tipos de fibra Lentas - I Rápidas – IIa, IIb
  • 42. Recrutamento em uma contração voluntária máxima
  • 43. Recrutamento de acordo com a força requerida
  • 44.  
  • 48. unipenado multipenado bipenado fusiforme Arquitetura muscular
  • 49. Secção transversa anatômica Secção fisiológica Perpendicular as fibras Arquitetura muscular Perpendicular ao músculo
  • 50. Muscle Nerve 23: 1647–1666, 2000 Músculos com maior área de seção transversa produzem mais força Por quê?
  • 51. A força total é proporcional aos número de sarcômeros em paralelo A velocidade é proporcional a quantidade de sarcômeros em série
  • 52. O treinamento físico faz aumentar o ângulo de penação das fibras musculares
  • 53. Knee Surg Sports Traumatol Arthrose 14:310-17, 2006
  • 54.  
  • 55.  
  • 57. Músculos monoarticulares x biarticulares Monoarticulares Cruzam uma articulação Produtores de força Estabilização articular Controle de movimento Penados na maioria Biarticulares Músculos longos Fusiformes na maioria Controle e direcionamento de grandes amplitudes de movimento Mais propensos a lesões
  • 58. Membro inferior humano Cinemática de 3 segmentos (coxa, perna e pé); pé no solo. A ação muscular cria um vetor de força F.
  • 59. (a) Extensores do quadril, monoarticulares (psoas) (b) Extensores do joelho, monorticulares (grupo vastus) (c) Extensores do tornozelo, monoarticular (soleus)
  • 60. (d) biarticular , rectus femoris, (flexor do quadril e extensor do joelho) (e) biarticulares , posteriores da coxa (extensor do quadril e flexor do joelho) (f) biarticular , gastrocnemius (flexor do joelho e extensor do tornozelo)
  • 61.
  • 62. Ações musculares Concêntrica: músculo gera tensão enquanto seu comprimento diminui. Torque int > torque ext Isométrica: músculo gera tensão mas não ocorre movimento Excêntrica: músculo gera tensão enquanto seu comprimento aumenta. Torque int < torque ext
  • 63. Relação Força x Velocidade – Hill (1938) Músculos longos – efeito em série predomina aumentando a VELOCIDADE Músculos curtos – Efeito em paralelo, maior ASTF e predomina a FORÇA Baseado em Herzog et al (2007)
  • 64. Fatores (selecionados) que influenciam a produção de força
  • 65. Zatsiorsky, 1996 Sexo e idade Idade (anos) Força (N) Homens Mulheres
  • 67. Força (% máxima) Comprimento (µm) 1 2 3 4 0 1,27 2,00 3,60 5 2,17 1,70 Força x Comprimento 100 Gordon et al., 1966 Fibra de sapo 2,17 µ 2 2,00 µ 3 1,70 µ 4 3,60 µ 1 1,27 µ 5
  • 68. Adaptação funcional do músculo-esquelético Herzog et al, MSSE, 1991
  • 70. Vaz et al., 2003 Jogadores de vôlei e bailarinas clássicas apresentam adaptações específicas para músculos flexores e extensores plantares Encurtado Alongado
  • 71.
  • 72. Sistema Nervoso Central (SNC) Unidade fundamental – neurônio http://www.utexas.edu/neuroscience/Neurobiology/WesThompson/images/1nmj.jpg
  • 73. Neurônios motores: função de transmitir o sinal desde o SNC ao órgão efetor, para que este realize a ação que foi ordenada pelo comando central. Neurônios sensores: são os neurônios que reagem a estímulos exteriores e que disparam a reação a esses estímulos, se necessário. Interneurônios: mais numeroso. Conecta os neurônios motores e sensoriais.
  • 74. Sistema Nervoso Central (SNC) Unidade fundamental – neurônio Neurônio + fibras musculares inervadas = unidade motora (UM) Proporção entre nervos e fibras – determina precisão menores – movimentos finos maiores – movimentos grosseiros UM de contração lentas UM de contração rápida (IIa, IIB)
  • 75. Princípio do tamanho (Elwood Henneman) Motoneurônios de menor diâmetro inervam fibras lentas (oxid) Motoneurônios intermediários inervam fibras IIa (oxid/glicolit) Motoneurônios de grande diâmetro inervam fibras IIb (glicol) Motoneurônios de menor diâmetro são mais facilmente excitados Logo: Fibras lentas são estimuladas com limiares de excitação mais baixos Fibras rápidas são estimuladas com limiares de excitação mais altos
  • 76. Recrutamento de acordo com a força requerida (I) Percentual de fibras musculares recrutadas Força muscular Leve Moderada Máxima
  • 77. Unidade Motora Ação Regulação M a s . . . medula espinhal nervo espinhal nervo espinhal (axônio) Corpo celular do neurônio fibra muscular Representação de uma UM (modificado de Basmajian, 1955) 50/58
  • 78. Ação Regulação Como saber ‘quando’ e ‘como’ recrutar?
  • 79. VIAS = AFERENTES (“que aferem”) E EFERENTES (“que executam”)
  • 80. Das teorias de controle e aprendizagem motora temos que o processamento de informação baseia-se em experiências prévias, mas também depende da interação dinâmica com o ambiente Adaptado de Lent (2003)
  • 81.  
  • 82. O que detectam os ÓRGAO TENDINOSOS DE GOLGI? Variação da tensão mecânica sobre os tendões. Estão em série com às Fibras Extrafusais O que detectam os FUSOS MUSCULARES? Variação de comprimento das fibras musculares. Estão paralelos às Fibras Extrafusais Receptores proprioceptivos musculares Motoneurônios  recebem uma cópia da informação proprioceptiva e realizam ajustes automáticos reflexos necessários. As unidades ordenadoras (os motonêuronios) recebem informações a cerca da tensão e da variação do comprimento das fibras musculares.
  • 83.