Biomechanics of the trunk and lower limbs during gait in individuals with and without chronic low back pain

Combining information on kinetics and kinematics of the trunk during gait is important for both clinical and research purposes, since it can help in better understanding the mechanisms behind changes in movement patterns in chronic low back pain patients. Although three-dimensional gait analysis has been used to evaluate chronic low back pain and healthy individuals, the reliability and measurement error of this procedure have not been fully established. The main purpose of this thesis is to gain a better understanding about the differences in the biomechanics of the trunk and lower limbs during gait, in patients and healthy individuals. To achieve these aims, three studies were developed. The first two, adopted a prospective design and focused on the reliability and measurement error of gait analysis. In these test-retest studies, chronic low back pain and healthy individuals were submitted to a gait assessment protocol, with two distinct evaluation moments, separated by one week. Gait data was collected using a 13-camera opto-electronic system and three force platforms. Data analysis included the computation of time-distance parameters, as well as the peak values for lower limb and trunk joint angles/moments. The third study followed a cross sectional design, where gait in chronic low back pain individuals was compared with matched controls. Step-to-step variability of the thoracic, lumbar and hips was calculated, and step-to-step deviations of these segments from their average pattern (residual rotations) were correlated to each other. The reliability studies in this thesis show that three-dimensional gait analysis is a reliable and consistent procedure for both chronic low back pain and healthy individuals. The results suggest varied reliability indices for multi-segment trunk joint angles, joint moments and time-distance parameters during gait, together with an acceptable level of error (particularly regarding sagittal plane). Our findings also show altered stride-to-stride variability of lumbar and thoracic segments and lower trunk joint moments in patients. These kinematic and kinetic results lend support to the notion that chronic low back pain individuals exhibit a protective movement strategy.

Integrar a informação sobre a cinemática e a cinética do tronco durante a marcha constitui um enorme desafio para as áreas da investigação e da clínica. Esta abordagem permite o aprofundamento do conhecimento sobre os mecanismos subjacentes aos padrões de movimento que se encontram alterados. Não obstante o crescente recurso à análise tridimensional da marcha para a avaliação de indivíduos saudáveis e com dor lombar crónica, a fiabilidade e o erro padrão de medida desta técnica não são ainda totalmente conhecidos. A presente dissertação procura resolver esta limitação, através do estudo das diferenças na biomecânica do tronco e dos membros inferiores durante a marcha em indivíduos saudáveis e com dor lombar crónica. Para a concretização desta dissertação, foram desenvolvidos três estudos. Os dois primeiros, com um desenho prospetivo, foram centrados na avaliação da fiabilidade e do erro de medição na análise tridimensional da marcha. Nestes estudos, os participantes (indivíduos saudáveis e com dor lombar crónica) foram submetidos a um protocolo de avaliação da marcha, com dois momentos distintos e com um intervalo médio de uma semana. Os dados foram recolhidos através de um sistema optoeletrónico (composto por treze câmaras) e de três plataformas de força. O processamento dos dados centrou-se nos parâmetros espaço-temporais da marcha, assim como nos valores máximos e mínimos dos ângulos e momentos articulares do tronco e membros inferiores. No terceiro estudo, com um desenho transversal, avaliaram-se as diferenças na biomecânica do tronco durante a marcha entre indivíduos saudáveis e indivíduos com dor lombar crónica. Para o efeito, determinou-se a variabilidade do movimento segmentar do tórax, lombar e anca e avaliou-se a sua correlação recíproca, tendo sido confirmada a presença de uma associação significativa entre as rotações residuais nos indivíduos com dor lombar crónica. Os estudos de reprodutibilidade revelam que a análise tridimensional da marcha é consistente, mas demonstram a presença de diferenças importantes na fiabilidade entre ângulos, momentos articulares e parâmetros espaço temporais, sendo o nível de erro todavia aceitável, sobretudo no plano sagital. Demonstrou-se ainda que a dor lombar crónica altera a variabilidade do movimento dos segmentos lombar e torácico durante a marcha e reduz a magnitude dos momentos articulares do tronco, também durante a marcha. Podemos, pois, afirmar que as alterações cinemáticas e cinéticas descritas suportam a existência de um padrão de proteção nestes indivíduos.