Descrição de sistema de avaliação da cinemática do joelho em lesões ligamentares a partir de rastreamento óptico e tomografia 3D^☆

Resumos

Objetivo:

Descrever e demonstrar a viabilidade de um método de avaliação da cinemática do joelho, por meio de um aparelho de CPM (continuous passive motion), antes e após a lesão do ligamento cruzado anterior (LCA).

Métodos:

O estudo foi feito em joelho de cadáver, em um simulador mecânico de pivot-shift avaliado a partir de rastreamento óptico associado à tomografia computadorizada.

Resultados:

Este estudo demonstra a viabilidade de um protocolo de mensuração de rotação e translação do joelho com ferramentas reprodutíveis e objetivas (erro < 0,2 mm). O sistema mecanizado de provocação do teste do pivot-shift é independente do examinador e permite sempre a mesma velocidade angular e tração de 20 N por todo o movimento.

Conclusão:

Sua relevância clínica está em fazer inferências sobre o comportamento in vivo de um joelho com lesão do LCA e proporcionar aos estudos futuros maior qualidade metodológica para a aferição de técnicas cirúrgicas com enxertos em posições relativamente próximas.

Articulação do joelho; Ligamento cruzado anterior; Tomografia computadorizada por raios X

Objective:

To describe and demonstrate the viability of a method for evaluating knee kine matics, by means of a continuous passive motion (CPM) machine, before and after anterio cruciate ligament (ACL) injury.

Methods:

This study was conducted on a knee from a cadaver, in a mechanical pivot-shif simulator, with evaluations using optical tracking, and also using computed tomography.

Results:

This study demonstrated the viability of a protocol for measuring the rotation an translation of the knee, using reproducible and objective tools (error<0.2mm). The mech anized provocation system of the pivot-shift test was independent of the examiner an always allowed the same angular velocity and traction of 20 N throughout the movement.

Conclusion:

The clinical relevance of this method lies in making inferences about the in viv behavior of a knee with an ACL injury and providing greater methodological quality in futur studies for measuring surgical techniques with grafts in relatively close positions.

Knee joint; Anterior cruciate ligament; X-ray computed tomography

Introdução

A reconstrução do LCA é uma das cirurgias ortopédicas mais feitas atualmente. Estimam-se aproximadamente 200.000 por ano nos EUA.¹

Apesar do grande número de pesquisas relacionadas à reconstrução do LCA,²,³os resultados excelentes ou bons variam de 69% a 95%.⁴ Os insatisfatórios podem ser decorrentes da instabilidade persistente do joelho e consequente dificuldade de retornar à atividade física prévia.⁵–⁹

A insuficiência do LCA é representada pela translação anterior da tíbia e pela instabilidade rotacional do joelho.¹⁰ O teste do pivot-shift é usado para avaliar a estabilidade rotacional do joelho após a lesão do LCA.¹¹ Alguns autores demonstraram que a presença de um teste pivot-shift positivo é preditivo para o desenvolvimento de osteoartrose e de maus resultados funcionais.¹²–¹⁵

Apesar de ser bastante específico (próximo de 100% sob anestesia),¹⁶–¹⁹ o resultado desse teste é subjetivo por ser examinador-dependente e, portanto, impreciso para ser usado em trabalhos científicos.¹⁰,¹⁵,¹⁸–²¹

Musahl et al.²⁰ demostraram que o teste do pivot-shift mecanizado, que consiste no uso de uma máquina de CPM (continuous passive motion) para a realização do movimento combinado de rotação interna, valgo e flexão do joelho, tem maior acurácia do que o manual.

Em conjunto com os sistemas de cirurgia assistida por computador, o fenômeno do pivot-shift pode ser aferido de forma satisfatória e ser usado para analisar a estabilidade do joelho após diferentes técnicas de reconstrução do LCA.¹⁰,²²

Portanto, o presente estudo tem por objetivo descrever um método de avaliação da cinemática do joelho antes e após a lesão do LCA a partir de tecnologias que permitam a avaliação da estabilidade ligamentar do joelho de forma objetiva.²³

Para tanto, apresentamos a seguir o aparelho de pivot-shiftmecanizado e o sistema de rastreamento óptico associado à tomografia computadorizada.

Materiais e métodos

O experimento foi feito em joelho de cadáver, conforme aprovação do Comitê de Ética em Pesquisa. Todo o membro inferior do cadáver foi usado e foi preservada a articulação do quadril e do tornozelo.

Como critério de inclusão, foi selecionado um joelho sem prévia de lesão do LCA ou outras lesões ligamentares, sem osteoartrose moderada ou grave e sem evidências de fratura ou desalinhamento do eixo mecânico do membro.

Antes do início do experimento, desinserções e secções musculares foram feitas a fim de permitir total amplitude de movimento do joelho, conforme descrito a seguir: tenotomia da massa adutora na origem do púbis; secção dos múscu-los do quadríceps e do músculo isquiotibial em sua origem; tenotomia do tendão do calcâneo.

Pivot-shift instrumentado e estabilidade rotacional do joelho

O simulador mecânico de pivot-shift foi desenvolvido no Laboratório de Biomecânica (LIM-41) a partir de um aparelho de CPM (Carci, Ortomed 4060, Anvisa: 10314290029) semelhante ao modelo usado e validado por Bedi et al.²⁴

A bacia foi estabilizada na mesa de cirurgia e permitiu ao quadril e ao joelho amplitudes totais de movimento. Não havia apoio ou suporte com bandas na altura do fêmur ou da tíbia.

O aparelho de CPM foi projetado para permitir 15° de rotação interna do tornozelo tanto para o membro inferior do lado esquerdo quanto do direito. A compressão axial do tornozelo foi feita à velocidade angular de 1,62°/s, da extensão máxima até 50° de flexão do joelho²⁰ (fig. 1).

Figura 1
Sistema de pivot-shift mecanizado.

O momento de rotação interna e valgo do joelho foi feito por um sistema de cabo e polias acoplados ao CPM. O ponto de tração na tíbia foi definido por um pino de titânio fixado perpendicularmente à tuberosidade da tíbia com 10 cm de comprimento. A tração do pino de titânio foiperpendicular ao eixo da tíbia e com o mesmo vetor de força de 20 N²⁵ durante todo o movimento de flexoextensão (0° a 50°)²⁰ (fig. 2).

Figura 2
Sistema de tração com cabo e polias.

Aferição da translação anterior da tíbia

Foi feita por meio de um dinamômetro de mola (Sandes) pelo mesmo pino de titânio apresentado anteriormente e após calibração prévia com uma máquina universal de ensaios mecânicos (Kratos – modelo 5002, Cotia, Brasil). A força vertical aplicada, segundo estudo de Bedi et al.,²⁶ foi de 68 N com o joelho a 30° de flexão.

Sistema de rastreamento óptico

O sistema de rastreamento (MicronTracker 2, modelo H40) permite obter o posicionamento do fêmur e da tíbia no espaço a partir da identificação de marcadores ópticos e a determinação dos movimentos de translação e rotação do joelho.

Três marcadores ópticos foram distribuídos ao longo de duas peças de acrílico em formato de L e fixados ao fêmur e à tíbia por dois pinos de titânio, a fim de se criar um sistema rígido. (fig. 3)

Figura 3
Marcadores ópticos em L no fêmur e na tíbia.

Uma rotina de computador foi desenvolvida (com o uso das bibliotecas do fabricante, na linguagem Basic) para reconhecer e salvar os dados tridimensionais capturados (XYZ) pelas câmeras do sistema de rastreamento óptico em tempo real (15 Hz, precisão de aferição fornecida pelo fabricante: 0,2 mm). (fig. 4)

Figura 4
Identificação tridimensional dos marcadores ópticos.

O ponto central do joelho (usado como referência para o cálculo da rotação e da translação do joelho) foi definido a partir da tomografia computadorizada de todo o membro inferior após o término dos testes. (fig. 5)

Figura 5
Eixo mecânico do membro inferior: pontos tridimensionais do centro da cabeça do fêmur e do tornozelo. Marcadores ópticos e rádio-densos no fêmur e na tíbia.

Para haver correspondência entre o sistema de rastrea-mento óptico e a tomografia, filamentos radiodensos foram incluídos nas posições centrais dos marcadores ópticos. (fig. 6)

Figura 6
Correspondência entre os marcadores ópticos e rádio-densos.

O movimento do joelho foi calculado a partir de matrizes de rotações e translações entre os sistemas de coordenadas da câmera e da tomografia e sistemas de coordenadas posicionados nos marcadores baritados e no centro do joelho. Nesse ponto, foram criados sistemas de coordenadas para a tíbia e para o fêmur. Um dos eixos coincidiu com o respectivo eixo de cada osso, um horizontal e outro vertical. Esses dois sistemas de coordenadas são determinados, para cada instante de tempo, pelos sistemas de coordenadas dos marcadores.

A rotação em torno dos eixos e a translação do ponto central do joelho são obtidas pela matriz de rotação e translação entre os sistemas de coordenadas femoral e tibial. Esse procedimento foi desenvolvido com o uso do programa computacional GNU Octave.

Protocolo

Os testes foram executados em duas etapas: antes e após a dissecção sob visualização direta do LCA em sua origem e inserção.

Em cada etapa, foram aferidas três medidas da translação anterior da tíbia por meio do dinamômetro manual (68 N) e três movimentos de flexoextensão do joelho com o pivot-shift mecanizado, conforme descrito anteriormente.

Resultados

Joelho de cadáver do sexo masculino, 45 anos, lado direito.

Os pontos centrais do joelho (fêmur distal e tíbia proximal) capturados tridimensionalmente (fig. 7) ao longo da flexoextensão do joelho foram analisados no domínio do tempo.

Figura 7
Representação gráfica do movimento do joelho no espaço dos pontos centrais do fêmur e da tíbia.

O aumento da distância entre as posições do centro do fêmur e do centro da tíbia entre a extensão máxima e a flexão máxima do joelho representa o fenômeno do pivot-shift (fig. 8, linha vermelha).

Figura 8
Representação gráfica do fenômeno do pivot-shift (linha vermelha).

A figura 9 mostra a translação anterior da tíbia com o joelho fletido a 30° em relação ao fêmur antes e após 68 N ou 15 lb²⁵ de tração através do pino de titânio no sentido perpendicular à tíbia.

Figura 9
Translação anterior da tíbia após tração de 68 N por pino metálico na tuberosidade da tíbia (após 4 s). Linha azul LCA íntegro; linha vermelha – LCA lesionado.

A figura 10 mostra um gráfico polar que representa os movimentos combinados de translação e rotação da tíbia em relação ao fêmur na flexoextensão do joelho.

Figura 10
Representação polar da rotação e translação combinadas do joelho.

Discussão

A principal colaboração deste estudo está em mostrar a viabi-lidade de um protocolo de mensuração de rotação e translação do joelho com ferramentas objetivas (erro < 0,2 mm) e reprodutíveis. Além disso, a tecnologia desenvolvida para a correlação entre o sistema óptico e tomográfico e a metodologia computacional para a descrição do movimento são de propriedade intelectual nacional.

Lane et al.¹⁰ descreveram que o sistema de graduação clí-nica em glide, clunck e gross da estabilidade do joelho por ortopedistas experientes é valioso. Contudo, é subjetivo e não reprodutível entre os cirurgiões e, por esse motivo, não deveria ser usado em trabalhos científicos.²⁷

O sistema mecanizado de provocação do teste do pivot-shift é independente do examinador e permite sempre a mesma velocidade angular e tração de 20 N por todo o movimento. O fato de o teste ser mecanizado também diminui o risco de vieses e erros e aumenta a validade interna do estudo.²⁸ Como consequência, a qualidade e a representatividade do estudo também aumentam.

Outra importante nota técnica referente à presente meto-dologia refere-se ao uso da tomografia para a defmição do centro de rotação do joelho. Essa seleção pode ser feita após o término do experimento e é possível defmir, por exemplo, a translação da tíbia em relação ao fêmur nos compartimentos lateral, medial ou intercôndilo. A tomografia computadorizada tridimensional também permite a reconstrução do joelho em qualquer plano e possibilita o alinhamento do joelho e a cor-reta mensuração da posição dos túneis femoral e tibial.²⁹,³⁰

O fenômeno do pivot-shift apresentado na figura 8 está em concordância com os estudos de Bull et al.,³¹ em que a subluxação do joelho ocorre entre 25° e 36°. Outros estudos demonstraram a redução do joelho subluxado entre 40° e 44° de flexão.¹⁰

Uma limitação metodológica dos estudos biomecâni-cos refere-se à realização do experimento no time-zero, ou seja, imediatamente após o procedimento cirúrgico da reconstrução do LCA. Neste estudo em específico, como não foi feita a reconstrução ligamentar, e as mudanças nas propriedades mecânicas do enxerto durante o período de integração biológica não interferiram na análise dos resultados apresentados.

Novos estudos são desejáveis para a análise da biomecâ-nica do joelho com túneis nas diferentes posições anatômicas. Cross et al.³² argumentam que não há consenso, na literatura, sobre em qual local do foot print original deve ser feito o túnel do LCA.

Conclusão

A relevância clínica do presente estudo está em fazer inferências sobre o comportamento in vivo de um joelho com lesão do LCA e proporcionar aos estudos futuros maior qualidade meto-dológica para a aferição de técnicas cirúrgicas com enxertos em posições relativamente próximas.

• ☆
  Trabalho desenvolvido no Instituto de Ortopedia e Traumatologia, Hospital das Clínicas, Faculdade de Medicina, Universidade de São Paulo, São Paulo, SP, Brasil.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  Sep-Oct 2014

Histórico

• Recebido
  29 Ago 2013
• Aceito
  03 Out 2013