Estudo dos padrões de marcha de diabéticos por simulação preditiva

Abstract

Diabéticos apresentam enfraquecimento dos músculos flexores e extensores do tornozelo, além de maior rigidez deste complexo articular. Estes fatores colaboram para o padrão de marcha alterado destes indivíduos, caracterizado por menor velocidade, maior tempo de apoio simples e duplo apoio, menor amplitude de movimento articular, além de alterações cinéticas e nas ativações musculares. Contudo, as relações de causa e efeito entre estas alterações e os acometimentos do sistema musculoesquelético típicos do diabetes não estão bem estabelecidos na literatura. O objetivo do presente estudo foi analisar os efeitos isolados da redução da capacidade de geração de força muscular do tibial anterior, sóleo e gastrocnêmio e do aumento de rigidez no tornozelo durante a marcha. Um modelo do sistema musculoesquelético humano e uma abordagem de simulação preditiva da marcha diabética foram desenvolvidos. O modelo possui propriedades que podem ser modificadas para representar o efeito da doença sobre o sistema musculoesquelético. As alterações dos padrões de marcha são simuladas de maneira preditiva por meio da resolução de um problema de controle ótimo. Especificamente, as forças isométricas máximas dos músculos gastrocnêmio, sóleo e tibial anterior foram reduzidas e a curva de momento passivo na articulação do tornozelo foi alterada de maneira a aumentar a rigidez da articulação, representando as alterações típicas causadas pelo diabetes. A redução de força isométrica máxima dos músculos do tornozelo atrasou a ativação do sóleo e gastrocnêmio, reduziu a força no gastrocnêmio e aumentou a força do músculo iliopsoas, aumentando assim o momento de flexão do quadril na fase de propulsão da marcha. Esses resultados indicam a adoção de uma estratégia motora para compensar o déficit de momento no tornozelo por meio de um aumento do momento de flexão do quadril, denominada estratégia do quadril na literatura. O aumento de rigidez na articulação do tornozelo também levou à adoção da estratégia do quadril, com atraso na ativação do sóleo, redução de geração de força muscular no sóleo e gastrocnêmio e aumento, mesmo que mais discreto, da ativação do iliopsoas na fase de propulsão da marcha. Além disso, ambas as alterações no sistema musculoesquelético causaram maior utilização das estruturas elásticas passivas no tornozelo, de forma a armazenar energia na fase de apoio médio e liberá-la na fase de propulsão. Este trabalho contribui para a compreensão dos efeitos do diabetes nos padrões de marcha e pode embasar a formulação de terapias mais apropriadas a esta população.

Diabetic patients show a weakening of flexor and extensor muscles, besides an increase of ankle joint stiffness. These changes contribute to the altered gait patterns of these individuals, characterized by lower velocity, longer single and double support phases, smaller joint range of motion, and alterations in kinematics and muscle activations. However, the causeeffect relationships between these alterations and the musculoskeletal system disorders typical in diabetic individuals are not well established in the literature. The aim of the present study was to investigate the isolated effects of reducing the force production capacity of of the tibialis anterior, soleus and gastrocnemius muscles and increasing the ankle stiffness during walking. We adapted a model of the human musculoskeletal system and developed a predictive simulation approach for diabetic gait. The model has properties that can be modified to represent the effects of the disease on the musculoskeletal system. The adaptation strategies are investigated by solving an optimal control problem. The maximal isometric force of the gastrocnemius, soleus and tibialis anterior muscles was reduced and the passive moment curve of the ankle was modified so that the joint stiffness is increased, representing typical alterations caused by diabetes. The reduction of the maximal isometric force of the ankle muscles delayed the soleus and gastrocnemius activations, decreased the gastrocnemius force and increased the iliopsoas force, increasing the hip flexion moment in the push-off phase of the gait. These results indicate the adoption of a motor strategy to compensate for the ankle moment deficit of ankle moment by increasing the hip flexion moment, referred to as the hip strategy in the literature. The increase of ankle joint stiffness also led to the adoption of the hip strategy, with a delayed action of the soleus, a reduction of the soleus and gastrocnemius forces and a rather slight increase of iliopsoas activation in the push-off phase. Furthermore, both alterations in the musculoskeletal system led to the use of the passive elastic properties at the ankle to store energy in the midstance phase and release it in the push-off phase. This work contributes to a better understanding of the effects of diabetes on gait patterns and may support the formulation of more appropriate therapies for this population.