utilização do sistema dvideow na análise cinemática do
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utilização do sistema dvideow na análise cinemática do
ISSN 1413-3555 Rev. bras. fisioter. Vol. 9, No. 1 (2005), 41-47 ©Revista Brasileira de Fisioterapia UTILIZAÇÃO DO SISTEMA DVIDEOW NA ANÁLISE CINEMÁTICA DO ALCANCE MANUAL DE LACTENTES Carvalho, R. P.,1 Tudella, E.1 e Barros, R. M. L.2 1 Departamento de Fisioterapia, Universidade Federal de São Carlos 2 Faculdade de Educação Física, Unicamp Correspondência para: Raquel de Paula Carvalho, Alameda das Papoulas, 125, ap. 24, Cidade Jardim, CEP 13566-545, São Carlos, SP, e-mail: [email protected] Recebido: 17/2/2004 – Aceito: 29/9/2004 RESUMO Contexto: A análise cinemática tem sido utilizada como método de avaliação para aumentar os conhecimentos sobre a aquisição e o desenvolvimento do alcance manual em lactentes. Objetivo: Definir e divulgar uma metodologia utilizando o sistema Dvideow para coleta de dados e análise do movimento de alcance manual em lactentes. Métodos: Quatro lactentes com idade de 4 a 6 meses (5 ± 0,816) serviram como modelos para a adaptação dessa metodologia. A condição experimental consistiu na apresentação de um brinquedo, na altura dos ombros dos lactentes. As avaliações foram filmadas e analisadas pelo sistema Dvideow. Foram testados o número e a localização das câmeras e dos iluminadores, além do posicionamento e tamanho dos marcadores. Resultados: Foi necessário utilizar, no mínimo, 3 câmeras digitais. A fim de possibilitar uma análise simultânea de ambos os membros superiores, uma das câmeras foi posicionada atrás e acima dos lactentes, enquanto duas outras foram colocadas nas laterais direita e esquerda. Para garantir a reflexão dos marcadores, foi necessário iluminar o lactente indiretamente, pois a luz direta interferia em seu comportamento. Marcadores esféricos de 0,5 cm proporcionaram maior precisão durante a análise. Os resultados obtidos foram apresentados de acordo com a trajetória linear e angular de 10 alcances avaliados. Conclusão: Essa metodologia permite a análise cinemática do movimento de lactentes, a qual pode ser extremamente útil para a compreensão do alcance de lactentes saudáveis. Palavras-chave: Dvideow, cinemática, alcance, lactente. ABSTRACT Utilization of the Dvideow system in kinematic analysis of infants’ reaching movements Background: Kinematic analysis has been used as an evaluation method for the provision of further knowledge on the acquisition and development of infants’ reaching skills. Objective: To define and disseminate methodology using the Dvideow system for data collection and kinematic analysis of infants’ reaching movements. Methods: Four infants aged 4 to 6 months (mean = 5; SD = 0.816) served as models for adapting this methodology. The experimental condition consisted of presenting a toy positioned at the infant’s shoulder level. The results were recorded on video and analyzed through Dvideow system. The numbers of cameras and lights and their locations, and also the positions and sizes of the markers were tested. Results: A minimum of three digital cameras was needed. In order to enable simultaneous analysis of both arms, one of the cameras was positioned behind and above the infants, while two other cameras were placed on their right and left sides. To ensure marker reflection, the infants had to be indirectly lit, since direct light interfered with their behavior. Spherical markers of 0.5 cm in diameter increased the accuracy during the analysis. The results were presented as both linear and angular trajectories of the 10 reaching movements evaluated. Conclusions: This methodology enables kinematic analysis of infants’ movements, which may be extremely useful in understanding reaching movements among healthy infants. Key words: Dvideow, kinematic analysis, reaching, infant. 42 Carvalho, R. P., Tudella, E. e Barros, R. M. L. INTRODUÇÃO A cinemática é uma importante ferramenta que permite a análise quantitativa do movimento humano, podendo ser utilizada na medicina, nos esportes e nas ciências humanas. Na medicina, auxilia na avaliação da motricidade de indivíduos acometidos por alguma patologia, como neuropatia diabética periférica1 e paralisia cerebral.2,3 Nos esportes, pode ser usada nos programas de treinamento para a melhora do desempenho dos atletas.4 Nas ciências humanas, proporciona a ampliação dos conhecimentos sobre desenvolvimento5 e controle motor.6 A comunidade científica tem utilizado a análise cinemática como método de avaliação com o objetivo de aumentar seus conhecimentos a respeito da aquisição e desenvolvimento do alcance manual de lactentes.7,8,9,10 Um dos sistemas usados para analisar o desenvolvimento do alcance em lactentes é o Watsmart.5 Esse sistema utiliza marcadores ativos que emitem luz infravermelha pulsada. Entretanto, os cabos de conexão entre a fonte e os marcadores podem causar limitação mecânica à movimentação do lactente.11,12 Outro sistema usado é o Vicon,13 o qual utiliza marcadores passivos que refletem luz infravermelha. No entanto, esse sistema não permitiu avaliar, simultaneamente, ambos os membros superiores do lactente, além de restringir a análise aos últimos 15 segundos de cada alcance em decorrência das limitações na capacidade do equipamento.13 Buscando entre os diversos sistemas que permitissem a análise cinemática do alcance em lactentes com idade inferior a 12 meses, optamos pela utilização do Sistema Dvideow (Digital Video for Biomechanics for Windows 32 bits)11 por se tratar de um sistema flexível e de baixo custo. Esse sistema foi desenvolvido pelas equipes do Laboratório de Instrumentação Biomecânica (Faculdade de Educação Física) e do Instituto de Computação, ambos da Unicamp. O Dvideow vem sendo utilizado no estudo do movimento de crianças com 3 anos de idade,5 no mínimo, e de adultos.14,15,16 No entanto, ainda não havia sido aplicado para o estudo cinemático do movimento de lactentes. Portanto, a proposta deste estudo foi definir e divulgar uma metodologia para coleta de dados e análise do movimento de alcance manual em lactentes, utilizando o sistema Dvideow. METODOLOGIA Sujeitos: para a definição de uma metodologia empregando a cinemática no estudo do alcance manual, o presente trabalho contou com uma amostra de quatro lactentes saudáveis, com idade de 4 a 6 meses (5 ± 0,816). Foi necessária a participação dos lactentes para que servissem de modelos para a adequação da metodologia a ser testada. Foi determinada essa faixa etária porque a idade de 4 meses é considerada o início da aquisição de alcance18,19 e a de 6 meses, aquela na qual o lactente é capaz de ajustar Rev. bras. fisioter. seu membro superior de acordo com as propriedades físicas do objeto (tamanho, textura e forma).20 Para a definição dessa metodologia foi preciso adequar o posicionamento do lactente e das câmeras ao espaço disponível no laboratório (4,5 x 5,0 m). O sistema Dvideow: consiste fundamentalmente em equipamentos não dedicados e em um programa de computador que permite a utilização de marcadores passivos e ativos sob diferentes condições experimentais, garantindo confiabilidade de resultados, simplicidade de operação e baixo custo.11 Esse sistema possibilita a reconstrução tridimensional do movimento a partir de imagens obtidas por até seis câmeras de vídeo. Para isso é necessário que cada marcador seja visualizado por pelo menos duas câmeras simultaneamente. Marcadores podem ser definidos como objetos fixados ao corpo humano que ajudam no rastreamento do movimento de pontos específicos, como a espinha ilíaca ântero-superior ou o acrômio. Para a descrição do movimento é preciso conhecer a posição de um ponto no espaço em relação a um referencial, em função do tempo.17 Por isso é necessária a construção de um sistema controlado de referências que informe ao software a localização de pontos no espaço, por meio de um procedimento chamado reconstrução tridimensional de coordenadas (“direct linear transformation” – DLT).11 O sistema Dvideow permite a obtenção automática das coordenadas de tela dos marcadores filmados, sendo esse procedimento comumente chamado de tracking. Isso é conseguido por meio da integração entre os recursos de segmentação (reconhece as características dos marcadores nas imagens capturadas), predição (limita a região de procura do marcador, reduzindo o tempo de execução) e matching (detecta a correspondência entre o marcador reconhecido em dois frames consecutivos).17 Dessa forma é possível realizar o tracking, o qual viabiliza o tempo gasto durante a análise. Caso os marcadores não sejam reconhecidos em algum momento da trajetória pelo procedimento de tracking, o sistema permitirá a correção manual das coordenadas de tela desses marcadores. Uma vez que tenham sido obtidos os parâmetros de calibração e as coordenadas de tela dos marcadores, o sistema faz os procedimentos de reconstrução tridimensional, por meio do método DLT usado na calibração. Com isso obtemos as coordenadas XYZ dos marcadores na trajetória selecionada para análise. Posicionamento das câmeras, iluminação e marcadores: para a captura das imagens utilizamos duas câmeras filmadoras digitais posicionadas em relação à cadeira em que o lactente seria avaliado, da seguinte forma: uma posteriormente, à altura de 2,00 m, e outra anteriormente, à distância de 0,95 m e altura de 1,10 m. Neste estudo utilizamos marcadores passivos (retroreflexivos) porque estes não impõem restrições mecânicas à movimentação dos membros como os ativos, que são conectados a fios para que possam emitir luz infravermelha. Vol. 9 No. 1, 2005 Análise Cinemática do Alcance de Lactentes pelo Dvideow Os marcadores, fixados às articulações cujo movimento se desejava rastrear, foram confeccionados com esferas brancas de 1 e 0,5 cm de diâmetro aderidas a um tecido preto do tipo napa, para contrastar o marcador em relação ao fundo. Para evitar a interferência da luz natural no reconhecimento dos marcadores, uma vez que eles deveriam ser os pontos destacados nas imagens, o laboratório foi vedado. Para permitir a reflexão dos marcadores, utilizamos iluminadores posicionados ao lado das câmeras de modo que a reflexão dos marcadores incidisse sobre a lente. Quanto aos pontos anatômicos escolhidos para a análise cinemática da motricidade dos membros superiores dos lactentes, os marcadores foram posicionados no ombro (borda externa do acrômio), no cotovelo (epicôndilo lateral do úmero) e no punho (processo estilóide da ulna) de ambos os membros superiores do lactente.13,18 O sistema de calibração: para a construção do sistema de calibração afixamos no teto do laboratório quatro fios de prumo, de 2,30 m de comprimento, posicionados de maneira a formar um volume de aproximadamente 0,480 x 0,320 m. Ao longo dos fios fixamos 10 esferas de 1 cm de diâmetro, com distância aproximada de 10 cm entre elas.17 As coordenadas locais XYZ das esferas foram aferidas por meio de um teodolito mecânico e de uma trena metálica com graduação em milímetros. Os eixos X e Z são coordenadas planas relativas ao ponto “0” (0,0), enquanto o eixo Y foi tomado como a diferença de altura entre os marcadores e o ponto de origem do sistema. Foi garantida precisão de 5 mm para todas as medidas obtidas. Procedimento de filmagem: após o posicionamento das câmeras, seus parâmetros de enquadramento (zoom), “shutter”, foco e balanço de branco deveriam ser ajustados no modo manual. Caso a câmera fosse operada no modo automático, ela adequaria seus parâmetros de acordo com a movimentação do lactente para garantir a nitidez das imagens. A partir desse momento, a câmera não deveria ser desligada e a posição e os parâmetros não poderiam ser modificados até o término do experimento. Esses procedimentos foram tomados com o objetivo de garantir a fidedignidade das imagens gravadas. Portanto, o processo de preparação para filmagem consistiu no posicionamento e no ajuste adequados das câmeras, na filmagem dos calibradores, na retirada dos mesmos, no posicionamento do lactente e no início da avaliação. Avaliação do alcance manual de lactentes utilizando o sistema Dvideow: todo o procedimento descrito anteriormente é utilizado para qualquer tipo de análise com o sistema Dvideow, seja ela na marcha ou no esporte, de adultos ou crianças. A diferença consiste no número de câmeras utilizadas, no tamanho do calibrador, no posicionamento das câmeras e no enquadramento das imagens, os quais variam de acordo com o movimento a ser avaliado. Após definida a metodologia, o protocolo foi aplicado aos lactentes da amostra. Para isso, o presente estudo foi avaliado e aprovado pelo Comitê de Ética e Pesquisa (protocolo 43 no 092/2002) da instituição responsável e a participação das crianças foi autorizada pelos pais por meio da assinatura do Termo de Consentimento Livre e Esclarecido. A avaliação do alcance consistiu em oferecer um brinquedo, na altura do manúbrio do esterno, a uma distância correspondente ao comprimento entre o ombro e o punho do membro superior do lactente. Após o alcance, o brinquedo era retirado e apresentado novamente, durante um período de dois minutos. Durante o experimento, o lactente permaneceu na posição sentada a 70º de inclinação com a horizontal, em uma cadeira especialmente desenvolvida com o objetivo de garantir a precisão em relação à inclinação do tronco.21 Os dados das filmagens das três câmeras foram armazenados em fitas digitais para posteriormente serem capturados, por meio de uma placa de captura, e transformados em arquivo AVI. Foram definidos como início e final do alcance o frame no qual o lactente iniciava o movimento do membro superior em direção ao brinquedo e o frame de contato da mão do lactente com o brinquedo, respectivamente.7,9,13,18 A sincronização entre as câmeras foi realizada visualmente, pelo frame determinado como final do alcance. Na Figura 1 podemos visualizar a interface do sistema Dvideow mostrando o rastreamento dos marcadores localizados no ombro, cotovelo e punho em um alcance realizado pelo lactente. A partir da aplicação do sistema Dvideow para a análise do alcance selecionado foi obtido um arquivo com as coordenadas XYZ da localização das articulações de ombro, cotovelo e punho no espaço. Os membros superiores direito e esquerdo foram analisados separadamente. Em trabalhos sobre análise cinemática do movimento, os resultados freqüentemente são filtrados por algum filtro de passa baixa. Neste estudo, utilizamos um filtro Butterworth de 2a ordem, com parâmetro 0,2. A seguir, os arquivos com as coordenadas foram trabalhados no programa Matlab para o cálculo das variáveis lineares e angulares a respeito do movimento avaliado. Entre elas estão as trajetórias linear e angular, velocidade média, pico de velocidade, velocidades instantâneas lineares e angulares, acelerações linear e angular, tempo e distância percorrida. RESULTADOS E DISCUSSÃO Verificamos que a disposição das câmeras, uma localizada anteriormente e outra posteriormente ao lactente, não permitiu que todos os marcadores pudessem ser visualizados simultaneamente pelas duas câmeras. Constatamos também que quando o lactente estendeu os membros superiores ocorreu a sobreposição da imagem dos marcadores, o que prejudicou o tracking na aplicação do sistema de análise. Com isso, houve a necessidade de uma terceira câmera para que tivéssemos duas câmeras posicionadas lateralmente, sendo cada uma responsável pela filmagem de um dos membros superiores. Assim, o posicionamento adotado foi uma câmera imediatamente atrás, a uma altura de 2,00 m, uma à direita e outra 44 Carvalho, R. P., Tudella, E. e Barros, R. M. L. à esquerda da cadeira, ambas a uma altura de 1,20 m. Tal arranjo experimental pode ser visualizado na Figura 2. Dessa forma, a metodologia permitiu a avaliação de ambos os membros superiores simultaneamente, possibilitando, além da análise cinemática unimanual, a verificação do desenvolvimento da coordenação bimanual. Constatamos que a luz direta sobre o lactente interferiu em seu comportamento, observado pela dificuldade na fixação Rev. bras. fisioter. do olhar no objeto apresentado. Para sanar esse problema e manter a iluminação próxima às câmeras, a fim de garantir a reflexão dos marcadores sobre a lente das mesmas, optamos pelo uso de difusores acoplados aos iluminadores, com lâmpadas de 500 W, posicionados na mesma direção óptica das câmeras. Com isso, obtivemos uma iluminação difusa que garantiu a reflexão dos marcadores e não incomodou a criança durante a avaliação. Figura 1. Interface do sistema Dvideow mostrando o rastreamento dos marcadores localizados nas articulações de ombro, cotovelo e punho, de ambos os membros superiores do lactente, durante análise cinemática do alcance manual. Figura 2. Esquema em perspectiva do posicionamento das câmeras, da cadeira sobre a qual o lactente foi avaliado e da orientação do sistema de coordenadas cartesianas usados para análise cinemática do alcance manual de lactentes. Vol. 9 No. 1, 2005 Análise Cinemática do Alcance de Lactentes pelo Dvideow Quanto aos marcadores, verificamos que os pequenos, de 0,5 cm de diâmetro, permitiram maior precisão no momento da marcação na tela do computador, durante a análise pelo Dvideow, em comparação com os maiores, de 1 cm de diâmetro. O tracking automático apresentou-se satisfatório em razão da utilização dos marcadores menores e da iluminação difusa. No entanto, modificações na iluminação usada poderiam melhorar a reflexão dos marcadores e, portanto, o reconhecimento automático pelo sistema. Para verificarmos o sucesso da adequação da metodologia, o protocolo experimental foi aplicado aos lactentes da amostra. No entanto, apresentaremos apenas a análise de um indivíduo, pois o objetivo deste artigo é demonstrar a viabilidade da metodologia desenvolvida e não caracterizar o alcance dos lactentes avaliados. Na Figura 3 é possível visualizar a trajetória linear da articulação do punho em relação às coordenadas X, Y e Z de 10 alcances realizados por um dos lactentes avaliados. A partir dos dados da trajetória linear da articulação do punho foi possível calcular as variáveis de velocidade (média, instantânea e pico) em relação ao tempo, obtido por meio do número de frames, e também da aceleração do alcance. A distância percorrida pelos marcadores no espaço pôde ser calculada por meio da norma do vetor que representa o deslocamento da articulação. Com os dados das coordenadas X, Y e Z calculamos os ângulos de ombro e cotovelo, conforme consta na Figura 4. Os ângulos do ombro nos planos sagital (flexão e extensão) 45 e frontal (abdução e adução) foram estabelecidos como o ângulo entre os vetores de braço e o eixo axial do lactente. O ângulo do cotovelo consistiu dos vetores representados pelo braço e antebraço. De posse da variação angular de ombro e cotovelo foi possível calcular a velocidade e a aceleração angular. Esses resultados nos permitem aferir que a metodologia apresentada poderá ser de grande valia para a fisioterapia voltada tanto para a avaliação do desenvolvimento motor como para a verificação dos efeitos do tratamento de lactentes com distúrbio no desenvolvimento neuro-sensório-motor. Na literatura podemos encontrar alguns trabalhos com esse propósito, como um estudo realizado com lactentes a termo e prematuros (2 e 4 meses de idade), com o objetivo de avaliar o desenvolvimento dos movimentos de chutes na postura supina por meio da análise cinemática.22 Seus resultados mostraram que os lactentes prematuros moderados e limítrofes apresentaram movimentos de chutes similares aos lactentes a termo, enquanto os prematuros extremos exibiram menor fase de flexão (em segundos) do membro inferior aos 4 meses de idade corrigida. Os autores concluíram que os prematuros extremos com peso muito baixo ao nascer apresentam diferenças na organização e na coordenação do movimento de chutes em relação aos a termos. Essa diferença pode direcionar o fisioterapeuta quanto à compreensão do atraso no desenvolvimento apresentado pelos prematuros extremos e no estabelecimento de metas e técnicas de intervenção fisioterapêutica. Figura 3. Trajetória linear (m) da articulação do punho nos planos X, Y e Z, obtidas a partir da análise cinemática do movimento, em relação à porcentagem do tempo, em 10 alcances realizados por um dos lactentes avaliados. 46 Carvalho, R. P., Tudella, E. e Barros, R. M. L. Rev. bras. fisioter. Figura 4. Variação dos ângulos (em graus) de flexão/extensão de ombro (flex/ext – ombro), abdução/adução de ombro (abd/ad – ombro) e flexão/extensão do cotovelo (flex/ext – cotovelo), em relação à porcentagem do tempo gasto no alcance pelo lactente, durante a análise cinemática do alcance manual. CONCLUSÕES Os resultados obtidos com essa metodologia nos permitem as seguintes conclusões: 1) a análise do movimento de alcance, por meio de trajetória, velocidade e aceleração lineares e angulares, foi realizada com sucesso e permitirá o estudo das explicações sobre o processo de emergência, organização e adaptação do alcance em diferentes contextos; 2) a utilização do Dvideow para a análise cinemática dos membros superiores de lactentes mostrou-se adequada e viável, uma vez que sujeitos com essa faixa etária ainda não haviam sido analisados por esse sistema; 3) por tratar-se de um sistema nacional, os custos de aquisição são menores; 4) outra vantagem é que o Dvideow mostrou-se de fácil operação. Agradecimentos — Ao Núcleo de Estudos em Neuropediatria e Motricidade (NENEM) – UFSCar, ao Laboratório de Instrumentação Biomecânica – Unicamp e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). 3. Johnson DC, Damiano DL, Abel MF. 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