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.

Development of a subject-specific musculoskeletal shoulder model : inverse and forward dynamics applications

A prevalência de pessoas que referem dor no complexo articular do ombro, com concomitante limitação na capacidade para realizar atividades da vida diária, é elevada. Estes níveis de prevalência sobrecarregam quer os utentes, como a própria sociedade. A evidência científica atual indicia a existência de uma relação entre as alterações da articulação escápulo-torácica e as patologias associadas à articulação gleno-umeral. A capacidade de quantificar, cinemática e cineticamente, as disfunções ao nível das articulações escápulo-torácica e gleno-umeral, é algo de enorme importância, quer para a comunidade biomecânica, como para a clínica. No decorrer dos trabalhos desta tese foi desenvolvido, através do software OpenSim, um modelo tridimensional músculo-esquelético do complexo articular do ombro que inclui a representação do tórax/coluna, clavícula, omoplata, úmero, rádio, cúbito e articulações que permitem os movimentos relativos desses segmentos, assim como, 16 músculos e 4 ligamentos. Com um total de 11 graus de liberdade, incluindo um novo modelo articular escápulo-torácico, os resultados demonstram que este é capaz de reconstruir de forma precisa e rápida os movimentos escápulo-torácicos e glenoumerais, recorrendo para tal, à cinemática inversa, e à dinâmica inversa e direta. Conta ainda com um método de transformação inovador para determinar, com base nas especificidades dos sujeitos, os locais de inserção muscular. As principais motivações subjacentes ao desenvolvimento desta tese foram contribuir para o aprofundar do atual conhecimento sobre as disfunções do complexo articular do ombro e, simultaneamente, proporcionar à comunidade clínica uma ferramenta biomecânica de livre acesso com o intuito de melhor suportar as decisões clínicas e dessa forma concorrer para uma prática mais efetiva.

Efeito do exercício na biomecânica da marcha em crianças e adolescentes com paralisia cerebral

Tipo de Estudo: Revisão. Temática: Efeito do exercício na biomecânica da locomoção de crianças e adolescentes com paralisia cerebral que apresentam marcha em agachamento (designada como “crouch gait”). Objetivos: 1) verificar e analisar as metodologias de programas de treino de força que, combinados ou não com outros programas de treino, exercícios ou intervenções, visam melhorar o padrão da marcha e a funcionalidade destes indivíduos; 2) tendo por base os resultados do primeiro objetivo, compilar uma bateria de exercícios e propôr um exemplo de plano de treino adequado a esta população. Métodos: Usou-se o PICOS para a definição de uma estratégia de busca segura e confiável. A “PubMed”, “Cochrane” e “Web of Knowledge", foram as bases de dados selecionadas e utilizadas. A pesquisa aconteceu na Faculdade de Motricidade Humana e no Hospital de Santa Maria em Lisboa. A seleção final dos artigos decorreu no mês de Janeiro, durante uma semana, e foi realizada e rastreada por dois investigadores de forma diferente. Incluíram-se nesta revisão estudos randomizados e controlados, com crianças e adolescentes com paralisia cerebral e que apresentam “crouch gait”, e nos quais foram utilizados protocolos de exercício como método de intervenção nesta população, tendo em vista a melhoria do padrão de marcha. Resultados: Da pesquisa inicial resultaram 223 estudos. Com a leitura dos resumos, selecionaram-se 96. Excluíram-se 85 porque apenas 11 cumpriram com todos os critérios de eligibilidade. Foi avaliada a qualidade metodológica destes 11 estudos com a escala PEDro e excluíram-se 3, resultando em 8 artigos como potenciais estudos para a revisão. Discussão: Um melhor alinhamento biomecânico e a obtenção de uma base mais estável podem afetar positivamente a função da marcha nestas crianças. O treino da força, sozinho, nem sempre melhora a capacidade da marcha. A melhoria da marcha advém dos efeitos e resultados significativos da força muscular, da amplitude de movimento articular, da diminuição da espasticidade, da regulação do tónus e da melhoria do equilíbrio e da postura. Conclusão: O treino da força não é uma contra indicação para estes indivíduos. Este oferece efeitos benéficos para a melhoria das suas funcionalidades. Para um efeito significativo, a intervenção deve ser superior a seis (6) semanas.

Adaptation of motor control to training and disuse : contribution of muscle synergy analysis and movement variability

The well-known degrees of freedom problem originally introduced by Nikolai Bernstein (1967) results from the high abundance of degrees of freedom in the musculoskeletal system. Such abundance in motor control have two sides: i) because it is unlikely that the Central Nervous System controls each degree of freedom independently, the complexity of the control needs to be reduced, and ii) because there are many options to perform a movement, a repetition of a given movement is never the same. It leads to two main topics in motor control and biomechanics: motor coordination and motor variability. The present thesis aimed to understand how motor systems behave and adapt under specific conditions. This thesis comprises three studies that focused on three topics of major interest in the field of sports sciences and medicine: expertise, injury risk and fatigue. The first study (expertise) has focused on the muscle coordination topic to further investigate the effect of expertise on the muscle synergistic organization, which ultimately may represent the underlying neural strategies. Studies 2 (excessive medial knee displacement) and 3 (fatigue) both aimed to better understand its impact on the dynamic local stability. The main findings of the present thesis suggest: 1) there is a great robustness in muscle synergistic organization between swimmers at different levels of expertise (study 1, chapter II), which ultimately indicate that differences in muscle coordination is mainly explained by peripheral adaptations; 2) injury risk factors such as excessive medial knee displacement (study 2, chapter III) and fatigue (study 3, chapter IV) alter the dynamic local stability of the neuromuscular system towards a more unstable state. This change in dynamic local stability represents a loss of adaptability in the neuromuscular system reducing the flexibility to adapt to a perturbation.