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
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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.
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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).
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