ASYMMETRIES BETWEEN LOWER LIMBS DURING JUMPING IN FEMALE ELITE ATHLETES FROM THE BRAZILIAN NATIONAL VOLLEYBALL TEAM

The aim of this study was to assess the asymmetry during jumping between the lower limbs of female elite athletes from the Brazilian National Volleyball team. A biomechanical evaluation of two kinds of jumps (countermovement and drop) was carried out, leading to the calculation of kinetic and kinematic variables, which were related to the athletes’ clinical complaints. We found important asymmetries in all athletes, and, in almost cases, it was possible to associate with their complaints. Additionally, the identified movement patterns have been described in the literature as being risky, potentially causing musculoskeletal lesions, or as indicators of a neuromuscular deficit. This investigation was useful in order to set up a physical training regime capable of minimizing asymmetries, and thus, decreasing the joint overload, aiming the prevention of injuries

Muscle force estimation during human walking

A estimativa das forças musculares durante o movimento humano tem inúmeras aplicações na área da Biomecânica. Nesse trabalho descrevo a aplicação de métodos de estimativa das forças musculares a dois diferentes problemas. O primeiro consiste em se quantificar as cargas a que os músculos e as articulações do membro inferior de adultos jovens estão sujeitos durante o andar em ambiente aquático e terrestre. Já o segundo consiste na investigação do efeito do aumento da complacência do tendão de Aquiles (TAq; tendão do triceps sural) na dinâmica de produção de força dos músculos gastrocnêmio e sóleo (G e S respectivamente; ambos músculos do triceps sural), visando compreender se o aumento da complacência, observado com o envelhecimento, poderia contribuir para as alterações na biomecânica da marcha de idosos. A hipótese no primeiro estudo era de que as forças desenvolvidas pelos músculos do membro inferior durante o andar em ambiente aquático não seriam menores em relação ao ambiente terrestre. Especificamente, esperávamos observar um aumento nas forças geradas nos flexores e extensores de quadril e joelho. No segundo estudo, nossas hipóteses eram de que o aumento na complacência do TAq faria com que as fibras musculares operassem mais distantes do seu comprimento ótimo, aumentando os níveis de ativação e o consumo metabólico dos músculos G e S. Com o objetivo de verificar as hipóteses levantadas nos dois estudos propostos utilizamos o software OpenSim 3.1 e dados experimentais dos movimentos estudados, para realizar simulações do andar humano e estimar as forças nos músculos do membro inferior durante essa tarefa. Em ambos os estudos os dados experimentais foram adquiridos através de sistemas de análise do movimento humano compostos por câmeras, para filmar os movimentos corporais dos voluntários, e plataformas de força, para medir as forças de reação do solo. Os resultados obtidos no primeiro estudo confirmaram nossas hipóteses, uma vez que indicam que durante determinadas fases do ciclo da marcha as forças geradas pelos músculos flexores e extensores de joelho e quadril, tais como os músculos isquiotibiais e o gluteo máximo, podem exceder as forças geradas em ambiente terrestre. Esses resultados corroboram a idéia de que o andar em ambiente aquático pode ser efetivo no ganho de força muscular. As hipóteses para o segundo estudo também foram confirmadas. Adicionalmente, nossos resultados previram que, para o triceps sural gerar a potência necessária para manter o indivíduo andando com velocidade confortável, os tendões dos músculos G e S devem se movimentar de maneira independente. A diferença no movimento dos feixes do TAq é tanto maior quanto maior a sua complacência. Além disso, verificamos que há um mínimo no consumo metabólico do gastrocnêmio em um nível específico de complacência do TAq, enquanto para o sóleo o consumo aumenta sistematicamente com o aumento da complacência. Esses resultados indicam que um aumento na complacência do TAq pode comprometer o desempenho dos músculos do triceps sural e aumentar o seu consumo energético, contribuindo para as alterações na biomecânica da marcha de idosos. As informações fornecidas nos dois estudos aqui apresentados podem auxiliar profissionais de área da saúde no planejamento de programas de treinamento e reabilitação para adultos e idosos, tanto no ambiente terrestre quanto no ambiente aquático.Muscle force estimation during human motion has numerous applications in Biomechanics. In this work, we describe the application of methods of muscle force estimation to solve for two different problems. The first problem is to quantify lower limb muscle and joint loads that young adults are subjected to when walking in the aquatic and terrestrial environment. The second problem is to understand the effect of increased Achilles tendon compliance (AT; the triceps surae tendon) in the gastrocnemius and soleus contractile dynamics (G and S respectively; both triceps surae muscles), aiming at understanding if increased AT compliance, that occurs with aging, could play a role in the elderly gait alterations. Our hypothesis for this first study was that the forces developed by the lower limb muscles in water are not always lower than on land. Specifically, we hypothesized that the forces developed by the hip and knee flexors and extensors would be grater in water than on land. For the second study our hypothesis was that the compliant AT would cause the fibers to operate far from its optimal length resulting in higher levels of activation in both G and S, as well as higher specific metabolic consumption. In order to verify our hypotheses for both studies we used the software OpenSim 3.1 together with experimental data of volunteers walking in aquatic and terrestrial environments to simulate human walking and to estimate the forces developed by the lower limb muscles during this task. In both studies, experimental data were acquired through human movement analysis systems composed of cameras, to record the movements of the volunteers\' body, and force plates, to measure ground contact forces. We confirmed our hypotheses to the first study since our results showed that in certain periods of the gait cycle the forces developed in the knee and hip flexors and extensors, such as the hamstrings and the gluteus maximus, inside water exceeded the forces in corresponding periods of land walking. Those results corroborate the idea that walking inside water may be effective in muscle strengthening. We also confirmed our hypotheses to the second study. Additionally, we predicted that to generate the necessary power to walk with comfortable speed the triceps surae G and S tendon must move independently. This differential behavior becomes larger the greater the AT compliance. In addition, we also observed that G metabolic energy consumption was minimized for a specific level of AT compliance while S systematically increased. Those results suggest that increased AT compliance can compromise the triceps surae performance and increase metabolic consumption, contributing to the alterations on the elderly gait biomechanics. The results of our two studies may assist health professionals to better plan training and rehabilitation programs for adults and elderly in both, terrestrial and aquatic environment

Estimates of joint forces and torques during human walking in pool with shallow water

O ambiente aquático é um recurso bastante utilizado na prática de atividade física, reabiltação e lazer. No entanto, apesar de seu amplo uso, pouco se sabe sobre a demanda mecânica a que nosso corpo está sujeito durante a atividade física neste ambiente. O conhecimento das cargas sobre o corpo durante exercícios em água poderá permitir uma melhor compreensão das adaptações realizadas pelo ser humano para se movimentar neste ambiente e, ainda, auxiliar na prescrição correta de atividades físicas. O objetivo deste trabalho foi, portanto, estimar as forças e torques articulares sobre o tornozelo, joelho e quadril de adultos jovens, saudáveis, durante o andar em ambiente terrestre e aquático (água rasa). Para tanto, conduzimos um experimento no qual 10 indivíduos caminharam com velocidade auto-selecionada nos dois ambientes. Durante o andar medimos as componentes da força de reação do solo, usando uma plataforma de força, e filmamos os movimentos, com auxílio de um de sistema de aquisição de imagens. As forças e torques internos foram determinadas através da técnica da dinâmica inversa e de estimativas das forças de arrasto e respectivos torques, realizadas a partir da teoria das faixas (\"strip theory\"). Os resultados referentes à cinemática articular e descritiva e às forças de reação do solo foram, no geral, semelhantes aos resultados apresentados em estudos anteriores, indicando que não há mudanças na coordenação dos movimentos articulares nem re- organização temporal da passada durante o andar em água. Entretanto, foi possível perceber mudanças nos sentidos dos torques articulares durante o ciclo para o joelho e o quadril, sugerindo que, para manter a mesma coordenação articular sob a ação do empuxo e do arrasto, é necessário promover mudanças nos padrões dos torques internos nestas articulações. Com relação à articulação do tornozelo, os resultados mostram que há diminuição nos torques articulares necessários para gerar a flexão plantar durante o apoio. A estimativa das forças de arrasto se mostrou adequada para descrever a situação experimental, o que indica que os valores apresentados neste estudo são adequados para descrever a carga mecânica no aparelho locomotor durante o andar em piscina com água rasa.The aquatic environment is a resource often used for the practice of physical activity, rehabilitation, and leisure. However, despite its extensive use, little is known about the mechanical demand that our body is subjected during physical activity in this environment. The knowledge of the load on the human body during water exercise will give us a greater understanding of the adaptations of the human being in water and assist the health professional to the correct prescription for physical activities. The goal of this work was, therefore, to estimate the internal joint forces and moments on the ankle, knee, and hip joints of young healthy adults during walking in the terrestrial and aquatic (shallow water) environments. For that, we conducted an experiment in which 10 subjects walked with self-selected speed in both environments. During the experiment, we measured the components of ground reaction forces, with a force plate, and recorded the subject\'s movements with a video analysis system. To find the forces and moments we used the inverse dynamics procedure and the calculation of drag forces and moments were based on the strip theory. The results concerning the joints and descriptive kinematics and the ground reaction forces were, in general, similar to the results presented in previous studies, indicating that there aren\'t changes in the coordination of joint movements or a re-organization of the stride during walking in water. Meanwhile, we were able to see changes in the directions of joint moments during the gait cycle for the knee and hip joints, suggesting that to keep the same joint coordination under the action of drag and buoyancy, it is necessary to promote changes in the patterns of internal moments in these joints. As for the ankle, the results showed that there is a decrease in joint moments necessary to generate the plantar flexion during the support phase. The estimation of the drag forces was adequate to describe the experimental situation, which suggests that the values presented here can describe correctly the mechanical load on the locomotor system during walking in shallow water

Muscle force estimation during human walking

A estimativa das forças musculares durante o movimento humano tem inúmeras aplicações na área da Biomecânica. Nesse trabalho descrevo a aplicação de métodos de estimativa das forças musculares a dois diferentes problemas. O primeiro consiste em se quantificar as cargas a que os músculos e as articulações do membro inferior de adultos jovens estão sujeitos durante o andar em ambiente aquático e terrestre. Já o segundo consiste na investigação do efeito do aumento da complacência do tendão de Aquiles (TAq; tendão do triceps sural) na dinâmica de produção de força dos músculos gastrocnêmio e sóleo (G e S respectivamente; ambos músculos do triceps sural), visando compreender se o aumento da complacência, observado com o envelhecimento, poderia contribuir para as alterações na biomecânica da marcha de idosos. A hipótese no primeiro estudo era de que as forças desenvolvidas pelos músculos do membro inferior durante o andar em ambiente aquático não seriam menores em relação ao ambiente terrestre. Especificamente, esperávamos observar um aumento nas forças geradas nos flexores e extensores de quadril e joelho. No segundo estudo, nossas hipóteses eram de que o aumento na complacência do TAq faria com que as fibras musculares operassem mais distantes do seu comprimento ótimo, aumentando os níveis de ativação e o consumo metabólico dos músculos G e S. Com o objetivo de verificar as hipóteses levantadas nos dois estudos propostos utilizamos o software OpenSim 3.1 e dados experimentais dos movimentos estudados, para realizar simulações do andar humano e estimar as forças nos músculos do membro inferior durante essa tarefa. Em ambos os estudos os dados experimentais foram adquiridos através de sistemas de análise do movimento humano compostos por câmeras, para filmar os movimentos corporais dos voluntários, e plataformas de força, para medir as forças de reação do solo. Os resultados obtidos no primeiro estudo confirmaram nossas hipóteses, uma vez que indicam que durante determinadas fases do ciclo da marcha as forças geradas pelos músculos flexores e extensores de joelho e quadril, tais como os músculos isquiotibiais e o gluteo máximo, podem exceder as forças geradas em ambiente terrestre. Esses resultados corroboram a idéia de que o andar em ambiente aquático pode ser efetivo no ganho de força muscular. As hipóteses para o segundo estudo também foram confirmadas. Adicionalmente, nossos resultados previram que, para o triceps sural gerar a potência necessária para manter o indivíduo andando com velocidade confortável, os tendões dos músculos G e S devem se movimentar de maneira independente. A diferença no movimento dos feixes do TAq é tanto maior quanto maior a sua complacência. Além disso, verificamos que há um mínimo no consumo metabólico do gastrocnêmio em um nível específico de complacência do TAq, enquanto para o sóleo o consumo aumenta sistematicamente com o aumento da complacência. Esses resultados indicam que um aumento na complacência do TAq pode comprometer o desempenho dos músculos do triceps sural e aumentar o seu consumo energético, contribuindo para as alterações na biomecânica da marcha de idosos. As informações fornecidas nos dois estudos aqui apresentados podem auxiliar profissionais de área da saúde no planejamento de programas de treinamento e reabilitação para adultos e idosos, tanto no ambiente terrestre quanto no ambiente aquático.Muscle force estimation during human motion has numerous applications in Biomechanics. In this work, we describe the application of methods of muscle force estimation to solve for two different problems. The first problem is to quantify lower limb muscle and joint loads that young adults are subjected to when walking in the aquatic and terrestrial environment. The second problem is to understand the effect of increased Achilles tendon compliance (AT; the triceps surae tendon) in the gastrocnemius and soleus contractile dynamics (G and S respectively; both triceps surae muscles), aiming at understanding if increased AT compliance, that occurs with aging, could play a role in the elderly gait alterations. Our hypothesis for this first study was that the forces developed by the lower limb muscles in water are not always lower than on land. Specifically, we hypothesized that the forces developed by the hip and knee flexors and extensors would be grater in water than on land. For the second study our hypothesis was that the compliant AT would cause the fibers to operate far from its optimal length resulting in higher levels of activation in both G and S, as well as higher specific metabolic consumption. In order to verify our hypotheses for both studies we used the software OpenSim 3.1 together with experimental data of volunteers walking in aquatic and terrestrial environments to simulate human walking and to estimate the forces developed by the lower limb muscles during this task. In both studies, experimental data were acquired through human movement analysis systems composed of cameras, to record the movements of the volunteers\' body, and force plates, to measure ground contact forces. We confirmed our hypotheses to the first study since our results showed that in certain periods of the gait cycle the forces developed in the knee and hip flexors and extensors, such as the hamstrings and the gluteus maximus, inside water exceeded the forces in corresponding periods of land walking. Those results corroborate the idea that walking inside water may be effective in muscle strengthening. We also confirmed our hypotheses to the second study. Additionally, we predicted that to generate the necessary power to walk with comfortable speed the triceps surae G and S tendon must move independently. This differential behavior becomes larger the greater the AT compliance. In addition, we also observed that G metabolic energy consumption was minimized for a specific level of AT compliance while S systematically increased. Those results suggest that increased AT compliance can compromise the triceps surae performance and increase metabolic consumption, contributing to the alterations on the elderly gait biomechanics. The results of our two studies may assist health professionals to better plan training and rehabilitation programs for adults and elderly in both, terrestrial and aquatic environment

Joint forces and torques when walking in shallow water

This study reports for the first time an estimation of the internal net joint forces and torques on adults` lower limbs and pelvis when walking in shallow water, taking into account the drag forces generated by the movement of their bodies in the water and the equivalent data when they walk on land. A force plate and a video camera were used to perform a two-dimensional gait analysis at the sagittal plane of 10 healthy young adults walking at comfortable speeds on land and in water at a chest-high level. We estimated the drag force on each body segment and the joint forces and torques at the ankle, knee, and hip of the right side of their bodies using inverse dynamics. The observed subjects` apparent weight in water was about 35% of their weight on land and they were about 2.7 times slower when walking in water. When the subjects walked in water compared with walking on land, there were no differences in the angular displacements but there was a significant reduction in the joint torques which was related to the water`s depth. The greatest reduction was observed for the ankle and then the knee and no reduction was observed for the hip. All joint powers were significantly reduced in water. The compressive and shear joint forces were on average about three times lower during walking in water than on land. These quantitative results substantiate the use of water as a safe environment for practicing low-impact exercises, particularly walking. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.Fundacao de Amparo a Pesquisa do Estado de Sao Paulo (FAPESP/Brazil)[08/10461-7]Conselho Nacional de Desenvolvimento e Pesquisa (CNPq/Brazil

Evaluation of alternative technical markers for the pelvic coordinate system

In this study, we evaluated alternative technical markers for the motion analysis of the pelvic segment. Thirteen subjects walked eight times while tri-dimensional kinematics were recorded for one stride of each trial. Five marker sets were evaluated, and we compared the tilt, obliquity, and rotation angles of the pelvis segment: (1) standard: markers at the anterior and posterior superior iliac spines (ASIS and PSIS); (2) markers at the PSIS and at the hip joint centers, HJCs (estimated by a functional method and described with clusters of markers at the thighs); (3) markers at the PSIS and HJCs (estimated by a predictive method and described with clusters of markers at the thighs); (4) markers at the PSIS and HJCs (estimated by a predictive method and described with skin-mounted markers at the thighs based on the Helen-Hayes marker set); (5) markers at the PSIS and at the iliac spines. Concerning the pelvic angles, evaluation of the alternative technical marker sets evinced that all marker sets demonstrated similar precision across trials (about 1 degrees) but different accuracies (ranging from 1 degrees to 3 degrees) in comparison to the standard marker set. We suggest that all the investigated marker sets are reliable alternatives to the standard pelvic marker set. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved

Reconstrução do ligamento cruzado anterior com a técnica de duplo feixe - avaliação no laboratório de biomecânica Anterior cruciate ligament reconstruction using the double bundle technique - evaluation in the biomechanics laboratory

OBJETIVO: O objetivo deste estudo é descrever a metodologia da análise da rotação do joelho utilizando instrumentos do laboratório de biomecânica e apresentar os resultados preliminares de um estudo comparativo com pacientes submetidos à reconstrução do ligamento cruzado anterior com a técnica de duplo feixe. MÉTODOS: Descreveu-se o protocolo atualmente utilizado em nosso laboratório e realizou-se a análise cinemática tridimensional e medida da amplitude de rotação do joelho de oito pacientes normais (grupo controle) e 12 pacientes operados com a técnica de duplo feixe em três tarefas no laboratório de biomecânica. RESULTADOS: Não indicam diferenças significativas entre os lados operados e não operados em relação às amplitudes médias da marcha, da marcha com mudança de direção ou da marcha com mudança de direção ao descer a escada (p > 0,13). CONCLUSÕES: Os resultados preliminares não demonstraram diferença da técnica de reconstrução de LCA em duplo feixe em relação ao lado contralateral e ao grupo controle.<br>OBJECTIVE: The objective of this study was to describe the methodology of knee rotation analysis using biomechanics laboratory instruments and to present the preliminary results from a comparative study on patients who underwent anterior cruciate ligament (ACL) reconstruction using the double-bundle technique. METHODS: The protocol currently used in our laboratory was described. Three-dimensional kinematic analysis was performed and knee rotation amplitude was measured on eight normal patients (control group) and 12 patients who were operated using the double-bundle technique, by means of three tasks in the biomechanics laboratory. RESULTS: No significant differences between operated and non-operated sides were shown in relation to the mean amplitudes of gait, gait with change in direction or gait with change in direction when going down stairs (p > 0.13). CONCLUSION: The preliminary results did not show any difference in the double-bundle ACL reconstruction technique in relation to the contralateral side and the control group