Tópico suplementar física do esqueleto



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Bertolo BIOFÍSICA PARA FISIOTERAPIA

TÓPICO SUPLEMENTAR

FÍSICA DO ESQUELETO

Os antropólogos tem se interessado por ossos desde há muito tempo. Os ossos podem se conservar por séculos e em alguns casos por milhões de anos. Devido a sua dureza, o osso tem sido usado pelo homem para uma grande variedade de ferramentas, armas e objetos de arte. Ele proporciona ao antropólogo recursos para traçar o desenvolvimento físico e cultural do homem.

Devido a importância do osso para o funcionamento apropriado do corpo, muitos médicos especialistas estão concentrados com problemas do osso. Duas especialidades biomédicas, odontologia e ortopedia, estão completamente devotadas a esta área. Outros médicos especialistas que tem considerável interesse em ossos são os reumatologistas, um médico especialista em problemas de reumatismos e artrites, e os radiologistas, que baseiam muitas das decisões diagnósticas em imagens de raios-X das estruturas ósseas.



Figura 3.1 – O Esqueleto do corpo. (De Vesalius, De Humani Corporis Fabrica, Basile, 1543)
Figura 3.1 - O Esqueleto o corpo. (De ª Vesalius, De Humani Corporis Fabrica, Basle, 1543)

Os ossos também são de interesse para os físicos e engenheiros médicos. Talvez este sistema orgânico do corpo agrade a maioria dos físicos porque ele apresenta problemas típicos de engenharia, tratando com carregamentos estáticos e dinâmicos que ocorrem quando se está parado e em pé, quando se está caminhando, correndo, saltando e assim por diante. A natureza tem resolvido estes problemas extremamente bem, variando as formas dos vários ossos do esqueleto (Fig 3.1) e os tipos de tecidos ósseos dos quais são feitos. Na adaptação dos ossos para diferentes funções, a natureza tem feito um “projeto” tão bom que os engenheiros modernos ainda não foram capazes de fazer. De forma imparcial, poderia ser destacado que a natureza tem milhões de anos para refinar os seus projetos, enquanto o homem só recentemente tem tentado reproduzir as funções e propriedades dos ossos para transplantes ósseos.

Os ossos tem no mínimo seis funções no corpo: (1) suporte, (2) locomoção, (3) proteção de vários órgãos, (4) armazenamentos químicos, (5) alimentação e (6) transmissão sonora ( no ouvido médio). Em alguns animais o osso está envolvido na reprodução. Os primatas (exceto o homem, infelizmente), os cavalos marinhos e os raccon1 todos tem pênis ósseos.

A função de suporte do osso é mais óbvia nas pernas. Os músculos do corpo estão presos aos ossos através de tendões e ligamentos, e o sistema de ossos mais os músculos sustentam o corpo. Em idade avançada, e em certas doenças, algumas destas estruturas de sustentação se deteriora. Se vivêssemos no mar onde poderíamos ficar “sem peso” devido ao empuxo da água, nossas necessidades de um esqueleto ósseo seriam grandemente reduzidas. Tubarões não tem nenhum osso; seu esqueleto é feito de cartilagem.

Juntas ósseas permitem movimentos de um osso com respeito a outro. Estas dobradiças, ou articulações, são muito importantes para o caminhar como também para muitos outros movimentos do corpo. Podemos nos conduzir mesmo com a perda de alguns movimentos de juntas, mas a destruição das juntas por artrites pode causar sérios limites a locomoção.

A proteção de partes delicadas do corpo é uma importante função de alguns ossos. O crânio, que protege o cérebro e vários dos mais importantes órgãos sensoriais (olhos e ouvidos), está num receptáculo extremamente forte. A costela formam uma jaula protetora para o coração e os pulmões. (As costelas e músculos do peito também atuam como uma estrutura de grau inferior, que expandindo e contraindo permite a inalação e expiração do ar). Além de suporte, a coluna vertebral atua muito mais como um cabo de revestimento blindado para fornecer uma proteção flexível a medula espinhal.

Os ossos atuam como um “banco” químico para armazenamento de elementos de uso futuro pelo corpo. O corpo pode retirar estas químicas quando necessitar. Por exemplo, um nível mínimo de cálcio é necessário no sangue; se o nível ficar abaixo, um “sensor de cálcio” faz as glândulas paratireóide liberarem mais hormônios paratireoidais no sangue, e isto por sua vez faz os ossos liberarem o cálcio necessitado.

Os dentes são ossos especializados que podem cortar os alimentos (incisivos), rasgá-lo (caninos) e triturá-los (molares) e assim servir no melhoramento da alimentação para o corpo. No homem eles nascem duas vezes - dentes de leite e dentes permanentes- (um terceiro nascimento é algumas vezes obtido com um dentista).

Os menores ossos do corpo são os ossículos no ouvido médio. Estes três pequenos ossos atuam como alavancas e estabelecem um sistema de combinação de impedâncias para converterem vibrações sonoras no ar em vibrações sonoras no fluido da cóclea. Eles são os únicos ossos que alcançam o tamanho adulto completo antes do nascimento!

É algumas vezes imaginado que o osso é a parte mais morta e inerte do corpo e que uma vez tendo atingido a idade adulta ele permanece o mesmo até a morte ou alguma outra fatalidade (tal como um acidente de esqui) acontecer . Realmente o osso é um tecido vivo e tem um suprimento sangüíneo como também nervos. A maioria do tecido ósseo é inerte, mas distribuído através dele estão os osteocitos, células que mantém o osso numa condição saudável. Células constituem cerca de 2% do volume do osso. Se essas células morrem (p. ex., devido ao pobre suprimento de sangue) o osso morre e perde parte de sua resistência. Um problema sério no quadril causado por um sintoma chamado necrose asséptica em que as células do osso do quadril morrem devido a falta de sangue. O quadril usualmente deixa de funcionar apropriadamente e algumas vezes tem de ser trocado por uma junta artificial.

Desde que o osso é um tecido vivo ele experimenta mudanças através da vida. Um processo contínuo de destruição de osso velho e construção de osso novo, chamado remodelamento ósseo, é feito por células ósseas especializadas. Os Osteoclastos destroem o osso, e os osteoblastos os constroem. Comparado a muitos processos do corpo, o remodelamento ósseo é um trabalho lento. Temos o equivalente de um novo esqueleto a cada sete anos; cada dia os osteoclastos destroem ossos contendo cerca de 0,5 g de cálcio ( os ossos tem cerca de 1.000 g de cálcio), e os osteoblastos constroem novos ossos usando cerca da mesma quantidade de cálcio. Enquanto o corpo é jovem e em crescimento os osteoblastos fazem mais do que os osteoclastos, mas quando o corpo chega a 35 até 40 anos a atividade dos osteoclastos é maior que a dos osteoblastos, resultando num decréscimo gradual na massa óssea que continua até a morte. Este decréscimo é aparentemente mais rápido na mulher do que no homem e leva a um sério problema de ossos fracos em mulheres idosas. Esta condição, chamada osteoporose (literalmente, ossos porosos), resulta em fraturas espontâneas, especialmente da espinha e quadril (pelve). Adiante discutiremos como esta doença pode ser diagnosticada e estudada pelo uso de uma medida física.
1. Qual é a composição do osso?
A composição química detalhada do osso é dada na Tabela 1. Note a grande porcentagem de cálcio (Ca) no osso. Desde que o cálcio tem um núcleo mais pesado que a maioria dos elementos do corpo, ele absorve raios-X muito mais do que o tecido mole envolvente. Isto é a razão dos raios-X mostrarem os ossos tão bem. (Fig. 2).

Os ossos consistem de dois materiais bem diferentes mais água: cartilagem a maior fração orgânica, que é por volta de 40% do peso do osso sólido e 60% do seu volume, e osso mineral, o assim chamado componente “inorgânico” do osso, que é por volta de 60% do peso do osso e 40% do seu volume. Cada um destes componentes pode ser removido do osso, e em cada caso o restante, composto de somente cartilagem ou osso mineral, será parecido com o osso original. O cartilagem que sobra é muito flexível, algumas vezes como um pedaço grosso de borracha, e pode mesmo ser curvado num laço (Fig 3). Enquanto ele tem uma satisfatória quantidade de resistência, ele curva facilmente ao ser solicitada. Quando a cartilagem é removida do osso, o osso mineral restante é muito frágil e pode ser triturado com os dedos! Um modo simples de remover a cartilagem é colocar o osso numa fornalha e “assá-lo”. A cremação é o assar do corpo todo; o osso mineral é a matéria que é colocada na urna.

TABELA 1 - Composição do Osso Compacto2


Elemento

Osso Compacto, Fêmur (%)

H

3,4

C

15,5

N

4,0

O

44,0

Mg

0,2

P

10,2

S

0,3

Ca

22,2

Miscelânea

0,2

A cartilagem é aparentemente produzida pelas células osteoblásticas; mineral é então formado na cartilagem para produzir osso. A cartilagem do osso não é a mesma que a cartilagem encontrado em muitas outras partes do corpo, tal como a pele. Sua estrutura corresponde às dimensões cruciais dos cristais de osso mineral, e ela forma o gabarito no qual o cristal de osso mineral se ajusta confortavelmente.




Figura 2 - Um raio - X do braço e antebraço mostrando uma fratura logo acima do cotovelo (flecha). O antebraço foi fraturado anteriormente e está coberto com um cast

Acredita-se que o osso mineral seja feito de hidroxiapatite de cálcio - Ca10(PO4)6(OH)2. Cristais semelhantes existem na natureza; fluorapatite, uma rocha comum, que difere do hydroxyapatite de cálcio no fato de que o flúor toma o lugar do OH. Flúor na água potável pode prevenir cáries, ou cavidades nos dentes, obturando áreas microscópicas do dente com a rocha fluorapatite, que é mais estável que o osso mineral.

Estudos usando espalhamento de raio -X indicaram que os cristais de osso mineral tem a forma arredondada com diâmetro de 20 a 70 Å e comprimento de 50 a 100 Å. (1 Å = 10-10 m. O angstrom é uma unidade conveniente para medir dimensões atômicas desde que muitos átomos tem diâmetros de cerca de 1 Å.) . Devido ao pequeno tamanho dos cristais, o mineral ósseo tem uma área superficial muito grande. Num adulto típico, ele tem uma área superficial de 4 x 105 m2 (~100 acres) - aproximadamente a área de 12 prédios! Ao redor de cada cristal está uma camada de água contendo na solução muitas das químicas necessárias ao corpo. A grande área de exposição do cristal de osso mineral permite os ossos interagirem rapidamente com químicas no sangue e outros fluidos do corpo.



Figura 3 - Se o osso mineral num osso é dissolvido com 5% de solução de ácido acético, a cartilagem restante é bem flexível. Aqui Nancy facilmente curva uma tíbia adulta que fora desmineralizada por este método

Dentro de poucos minutos após uma pequena quantidade de flúor radioativo (18F) ser injetada num paciente, ela estará distribuída através dos ossos deste corpo. Tumores ósseos ainda não visíveis com raios - X podem ser identificados por este método. O osso num tumor ósseo vai sendo destruído da mesma maneira que uma casa de tijolos é desmanchada por um tijolo de cada vez. Quando os átomos de flúor radioativos entram em contato com este osso parcialmente destruído, eles encontram muitos lugares que podem neles se ajustarem - mais do que no osso normal. O aumento de radiação de uma área com tumor assinala a possibilidade de um tumor ósseo. (Veremos isto posteriormente).


QUÃO FORTES SÃO OS SEUS OSSOS?




Figura 4 - Seção transversal de (a) um fêmur adulto, (b) Uma vértebra normal cortada verticalmente e (c) uma vértebra osteoporótica (de uma mulher de 80 anos de idade) cortada verticalmente. Note o arranjo dos ossos compacto e trabecular
Se um engenheiro mecânico estivesse diante do problema de projetar o esqueleto, ele precisaria, é claro, examinar as funções de cada um dos diferentes ossos desde que suas funções determinariam sua forma, sua construção interna e o tipo de material a ser usado. Temos discutido muito das funções mais óbvias do ossos no corpo. Vamos agora observar como os ossos se desenvolveram para se adequarem às nossas necessidades.

Se você puser em ordem todos os mais de 200 ossos do corpo em várias pilhas de acordo com sua forma, você ficará com 5 pilhas: uma pequena pilha nivelada, com ossos de forma de placa tal como a escápula e alguns ossos do crânio; uma segunda pilha de ossos ocos e longos tais como aqueles encontrados nos braços, pernas e dedos; uma terceira pilha de ossos mais ou menos cilíndricos da coluna vertebral; uma quarta pilha de ossos irregulares tais como os do pulso e tornozelo; e uma quinta pilha de ossos tais como as costelas que não pertencem a qualquer das outras pilhas.

Se você fosse cortar alguns dos ossos você encontraria que eles são compostos de um ou uma combinação de dois tipos bem diferentes de osso: osso sólido, ou compacto, e osso esponjoso feito de finas linhas trabeculares - osso trabecular. A Figura 4a mostra estes dois tipos de ossos num fêmur adulto cortado ao longo do seu eixo. O osso trabecular é predominantemente encontrado nas extremidades dos grandes ossos, enquanto a maioria dos ossos compactos está na coluna (porção) central do osso. A Figura 4b mostra a seção transversal de uma vértebra normal; note que ela é mais inteiramente composta de osso trabecular com exceção das placas finas dos ossos compactos na superfície. O osso trabecular é consideravelmente mais fraco que o osso compacto devido a quantidade reduzida de osso num dado volume. Osso com osteoporose (Fig 4c) é mesmo mais fraco. Num nível macroscópico o tecido ósseo numa trabecula é o mesmo que aquele no osso compacto.


Figura 3.5 - Vários tipos de barras sujeitas a uma força F. (a) Numa simples barra retangular o maior stress estão próximos ao topo e base. Existe pouco stress no meio do osso. (b) Por causa do stress no meio é pequeno, uma barra que tem pouco material ali - uma barra em I - pode ser usada. (c) Uma barra tubular pode ser imaginada como uma barra I redonda com a alma central removida. É usada quando a força deve vir de qualquer direção

Um estudo da construção do fêmur ilustra quão bem ele é projetado para o seu trabalho. Tensão (estresse = força por unidade de área) num osso pode ser analisada do mesmo modo que o estresse numa barra. A Figura 5a mostra uma barra horizontal apoiada nas extremidades com uma força para baixo no meio. As tensões dentro da barra (mostradas por flechas) estão afastando-se na parte inferior (tensão) e juntando-se na superior (compressão). Existe relativamente pouco estresse de cada tipo no centro da barra . Por esta razão é comum usar uma barra em I, que tem uma parte mais grossa no topo e fundo com uma alma fina, como uma barra de suporte numa construção. (Fig. 5b). Como a força pode vir de qualquer direção, um cilindro ôco é usado para dar a máxima resistência com uma mínima quantidade de material (Fig. 5c). É quase tão forte como um cilindro sólido do mesmo diâmetro. Desde que forças no fêmur podem vir de qualquer direção, a estrutura de cilindro ôco do osso é bem adequada para suportar.

Se você empurrar uma das extremidades de um cilindro ôco tal como uma canudo de refrigerante, ele tenderá dobrar próximo do meio ao invés das extremidades. Espessuras extras no meio o reforçaria. Os ossos compactos da coluna do fêmur é mais grosso no centro e mais fino nas extremidades (Fig 4a); note novamente a alta qualidade do projeto.


Figura 6 - A cabeça e o colo do fêmur. (a) As linhas de compressão e tensão devido ao peso W do corpo. (b) Uma seção transversal mostrando as linhas trabeculares normais. Note que elas seguem as linhas de compressão e tensão
As figuras trabeculares nos extremos do fêmur são também otimizadas para as forças para as quais o osso está sujeito. A Figura 6a mostra esquematicamente as linhas de tensão e compressão na cabeça e colo do fêmur devido ao peso na cabeça. A Figura 6b mostra a seção transversal desta parte do fêmur; note que o trabecular cai ao longo da linha de força mostrada na Figura 6a. Similarmente, na extremidade inferior (distal) do fêmur as forças são aproximadamente vertical, como são as trabeculaes. Existe banda cruzada para reforçar o trabéculo.

Quais as vantagens dos ossos trabeculares sobre os ossos compactos? Existem no mínimo duas. Onde um osso está sujeito principalmente a forças de compressão, tais como nas extremidades dos ossos e na espinha, ossos trabeculares dão a resistência necessária com menos material que o osso compacto. Também, porque os trabeculares são relativamente flexíveis, os ossos trabeculares podem absorver mais energia quando grandes forças estão envolvidas tais como caminhando, correndo, e saltando. Por outro lado, os ossos trabeculares não podem resistir muito bem os esforços de flexão que ocorrem na maioria na porção central dos ossos longos.

Agora vamos considerar algumas das propriedades mecânicas do osso, um material composto análogo a uma fibra de vidro. Como descrito na Seção 1, o osso é composto de pequenos cristais minerais ósseos duros ligados por uma matriz cartilaginosa mole e flexível. Estes componentes tem propriedades mecânicas vastamente diferentes que também diferem daquelas do osso. A natureza exata da interposição destes dois componentes na produção de notáveis propriedades mecânicas dos ossos é desconhecida. Contudo, a combinação estabelece um material que é resistente como o granito na compressão e 25 vezes mais resistente que o granito sob tensão.

Podemos fazer algumas medidas físicas e de engenharia padrões num pedaço de osso compacto, tal como determinar sua densidade ( ou gravidade específica); quanto ele se alonga ou comprime sob uma dada força (módulo de Young da elasticidade); e quanta força é necessária para quebra-lo por compressão, tensão e torção. Podemos também determinar como sua resistência depende do tempo sobre o qual a força é aplicada e quanta energia elástica é armazenada nele antes de se quebrar.

A densidade do osso compacto é surpreendentemente constante através da vida em cerca de 1.9 g/cm3 ( ou 1.9 vezes mais denso que a água). Na idade avançada o osso torna-se mais poroso e desaparece da superfície interior, ou endosteal. A densidade do osso compacto restante é ainda cerca de 1.9 g/cm3; ela é reduzida na resistência porque ele está mais fino, não porque ele é menos denso. A quantidade física densidade óssea é freqüentemente confundida com massa óssea. Um raios de um osso dá uma idéia da massa do osso, não de sua densidade. A confusão é parcialmente devido ao uso de densidade em conexão com a densidade óptica de uma imagem de raios. Na seção 4 discutiremos instrumentação para se medir massa óssea e densidade óssea em pacientes.

Todos materiais mudam de comprimento quando colocado sob tensão ou compressão. Quando uma amostra de osso fresco é colocada num instrumento especial para medir a elongação sob tensão, uma curva semelhante aquela da Fig. 7 é obtida. A deformação L/L aumenta linearmente no começo, indicando que ela é proporcional à tensão (F/A) - Lei de Hooke. Quando a força aumenta o comprimento aumenta mais rapidamente, e o osso quebra numa tensão de cerca 120 N/mm2. A razão da tensão para a deformação na porção linear inicial é o módulo de Young Y. Isto é,


Y = (F/A)( L/L

.......1

O módulo de Young para ossos e de uns poucos materiais estruturais comuns são dados na Tabela 2. É usualmente de maior interesse calcular a variação no comprimento L para uma dada força F. A equação 1 pode ser escrita novamente como


L =

.......2

Equações 1 e 2 são válidas para tensão e compressão (ver exemplo 1).



TABELA 2 Resistência do osso e outros materiais comuns


Material

Tensão de Compressão na Fratura

Tensão de Tração na Fratura

Módulo de Young de Elasticidade (x 102 N / mm2)

Aço duro

552

827

2070

Borracha

-

2.1

0.010

Granito

145

4.8

517

Concreto

21

2.1

165

Oak

59

117

110

Porcelana

552

55

-

Osso Compacto

170

120

179

Osso Trabecular

2.2

-

0.76



EXEMPLO 1

Assuma que a perna tenha 1.2 m de coluna óssea com uma seção transversal média de área 3 cm2 ( 3 x 10-4 m2). Qual é a quantidade de encurtamento quando todo o corpo pesando 700 N é suportado por esta perna?

L = = = 1.5 x 10-4 m = 0.15 mm.

Figura 8 Diagrama de uma vértebra lombar esmagada. A curvatura resultante da espinha produz uma aparência corcunda

Figura 7 - Quando um pedaço de osso é colocado sob tensão crescente, seu alongamento L/L primeiro aumenta linearmente (Lei de Hooke) e depois mais rapidamente até ela se partir em duas por volta de 120 N/mm2.
A habilidade dos ossos suportarem o peso do corpo sem se quebrarem é crucial para o bem estar do homem. É claro, eles suportam não somente peso mas também outras forças. Curvando para frente para pegarmos objetos pesados podemos desenvolver grandes forças na parte inferior da coluna . Isto ajuda explicar porque o esmagamento vertebral da espinha inferior (lombar) são comuns (Fig 8). Grandes forças são produzidas em tais atividades como correndo e pulando. Correndo, a força no osso do quadril quando o calcanhar bate no chão pode ser quatro vezes o peso do corpo. Mesmo em caminhada normal as forças no quadril são cerca de duas vezes o peso do corpo. Qual é o fator de segurança embutido nos ossos que suportam o peso do corpo? Engenheiros gostam de superdimensionar estruturas de suporte de modo que ela possa resistir forças cerca de 10 vezes a máxima força esperada. O fêmur satisfaz este requisito? O osso compacto saudável é capaz de resistir uma tensão compressiva de cerca de 170 N/mm2 antes de fraturar (Tabela 2). O meio do fêmur tem uma área transversal de cerca de 3,3 cm2; ele suportaria uma forca de cerca de 5,7 x 104 N!!! A área da seção transversal da tíbia não é tão grande, mas a margem de segurança é satisfatória para a maioria das atividades exceto esquiando colina abaixo.

Os ossos normalmente não quebram devido a compressão, eles usualmente quebram devido ao cisalhamento (Fig. 9 a e b) ou sob tensão (Fig 9c). Uma causa comum de cisalhamento é prender o pé e torcer a perna enquanto cai. Uma fratura de cisalhamento freqüentemente resulta numa fratura em espiral (Fig 9b) na qual o osso está apto a furar a pele. este tipo de fratura (composta) está mais apta a tornar-se infectada que a fratura em que o osso não é exposto (simples).




Figura 9 - Fraturas da tíbia. (a) Um esquema de uma fratura em espiral causada pelo cisalhamento (torção, (b) Um raios de uma fratura espiral causada pelo cisalhamento e (c) um esquema de uma fratura por tensão na tíbia
Os ossos não são tão fortes sob tensão como eles são na compressão; uma tensão de cerca de 120 N/mm2 fará um osso quebrar (Fig. 7) . Entretanto, o osso é mais forte sob tensão que muitos materiais comuns (Tabela 2)

Vamos considerar as forças exercidas num osso durante uma queda. Da segunda lei de Newton, a força exercida durante uma colisão ou uma queda é igual a razão de variação do momento linear, que é simplesmente o momento do corpo dividido pela duração do impacto. Além disso, quanto mais curta a duração do impacto, maior a força. Para reduzir a força e em conseqüência reduzir a fratura, é necessário aumentar o tempo de impacto. Em ambos os casos caindo ou saltando uma elevação, o tempo de impacto pode ser aumentado significativamente simplesmente rolando com a queda ou salto, enquanto se espalha a variação do momento do corpo sobre um tempo maior. Um bom exemplo de rolamento com impacto é a maneira em que uma paraquedista é treinado para atingir o solo; seus tornozelos e joelhos curvam-se no impacto e seu corpo gira para baixo de modo que ele cai na sua perna, e daí sobre sua bacia, e finalmente no peito. Se ele tentar uma queda inflexível, a força gerada seria cerca de 1.42 x 105 N, o que significa que cada tíbia, que tem cerca de 3.3 cm2 de área no tornozelo, sofreria uma tensão de cerca de 215 N/mm2. Este valor excede a resistência máxima de compressão do osso em cerca de 30%. O osso, entretanto, pode resistir a uma grande força por um curto período de tempo sem se quebrar, enquanto a mesma força sobre um longo período pode fraturá-lo. Isto é, a força de curta duração desenvolveu quando você caiu ou saltou, enquanto possivelmente excedeu a resistência máxima compressiva do osso, não é tão desastroso quanto a mesma força aplicada sobre um longo período de tempo. Esta propriedade é chamada viscoelasticidade.

Quando um osso é fraturado, o corpo pode repará-lo rapidamente se a região de fratura é imobilizada. Mesmo numa mulher de idade avançada com osteoporose o processo de restabelecimento é efetivo. Entretanto, o grande período de confinamento na cama necessário para uma bacia fraturada o restablecimento é muito mais lento, e é importante ter o paciente de pé o mais cedo possível. Prótese metálica de bacia, juntas, pinos, garras, e assim por diante, são freqüentemente usadas para reparar tais ossos danificados (Fig 10).




Figura 10. Prótese do quadril. (a) Uma junta enfraquecida do quadril pode ser reforçada por um suporte metálico preso ao fêmur. Nesta situação o colo femoral tem sido feito mais curto para reduzir o stress. (b) A junta completa do quadril pode ser trocada com materiais artificiais. (c) Um raio -X de uma dupla de juntas do quadril trocada usando próteses semelhantes à prótese mostrada na em b

Enquanto os detalhes de crescimento e reparo dos ossos não são tão bem entendidos, existe uma boa evidência que campos elétricos locais podem desempenhar o papel. Quando um osso é curvado ele gera cargas elétricas na sua superfície. Ele tem sido sugerido que este fenômeno (piezoeletricidade) pode ser estímulos físicos para o crescimento dos ossos e reparos. Experimentos com fraturas de ossos animais tem mostrado que o osso restabelece mais rápido se um potencial elétrico é aplicado através da fratura. É muito cedo para dizer se esta técnica pode ser usada com sucesso no homem.
3. LUBRIFICAÇÅO DAS JUNTAS OSSEAS
Todos aqueles que não sofrem de artrite tem, por hipótese, suas juntas ósseas funcionando bem. Muitas pessoas não tem tanta felicidade. Uma análise de 1.000 autópsias revelaram que dois terços dos cadáveres tinham um problema de junta no joelho, e que um terço tinham problemas semelhantes no quadril. Existem duas grandes doenças que afetam as juntas - a artrite reumatóide, que resulta de uma superprodução do líquido sinovial na junta e comumente faz as mesmas incharem, e a osteoartrose, uma doença da própria junta.

A lubrificação da junta óssea não está entendida em detalhes, mas as características essenciais estão entendidas. Os componentes principais de uma junta são mostrados na Fig. 11. A membrana sinovial encaixa-se na junta e retém o líquido sinovial lubrificante. As superfícies das juntas são as cartilagens articulares, um material liso, parecido com a borracha que está preso ao osso sólido. Uma doença que envolve o líquido sinovial, tal como a artrite reumatóide, afeta rapidamente a própria junta.


Figura 11 - Os principais componentes de uma junta
A superfície da cartilagem articular não é tão lisa como aquela de um bom mancal artificial. Tem sido sugerido que a sua aspereza desempenha um papel útil na lubrificação da junta prendendo algum líquido sinovial. Tem sido também sugerido que por causa da natureza porosa da cartilagem, outros materiais lubrificantes são prensados na junta quando ela está sob seu máximo tensão - quando ela precisa de mais lubrificação. Uma teoria é que a pressão causa linhas de lubrificação "ao introduzir" o estiramento da cartilagem na junta; o extremo de cada linha lubrificante permanece na cartilagem, e quando a pressão é reduzida, as linhas puxam de volta para os seus lugares, como faz um animal rastejante ao ser acossado. Esta lubrificação impulsionada é uma técnica de engenharia que não tem sido ainda capaz de adaptar-se a indústria.

As propriedades lubrificantes de um fluido depende de sua viscosidade; óleo fino é menos viscoso e um melhor lubrificante do que o óleo grosso. A viscosidade do líquido sinovial decresce sob as grandes tensões de cisalhamento (ou cortantes) encontradas nas juntas. As boas propriedades lubrificantes do líquido sinovial são imaginadas serem devidas à presença do ácido hialurico e mucopolissacarídeos (peso molecular de ~ 500.000) que se deformam sob carregamento.






Figura 3.12 - Arranjo para a determinação do coeficiente de atrito de uma junta. A junta é usada como o pivô num pêndulo e a diminuição da amplitude de oscilação com o tempo é medida
O coeficiente de atrito das juntas ósseas é difícil de ser medido sob as condições usuais de laboratório. Little, Freeman e Swanson descreveram o arranjo mostrado na Fig. 12 no livro Lubrificantes e Desgastes das Juntas, editado por Wright (ver bibliografia no final). Uma junta de quadril normal de um cadáver recente foi montada de ponta cabeça com pesos pesados pressionando a cabeça do fêmur na sua conexão. O peso na junta poderia ser variado para estudar os efeitos das diferentes cargas. A unidade inteira atuando como um pêndulo com a junta servindo de pivô. Da razão de decréscimo de amplitude com o tempo, o coeficiente de atrito era calculado. O coeficiente de atrito foi encontrado ser independente da carga de 89 a 890 N e independente da magnitude das oscilações. Foi concluído que a gordura na cartilagem ajuda reduzir o coeficiente de atrito. Para todas as juntas sadias estudadas, o coeficiente de atrito foi encontrado ser menor que 0,01, muito menos que o de uma lâmina de barbear no gelo - 0,03. (Um coeficiente de atrito de 0,01 significa que se existe uma força de 45,4 N numa junta, somente 0,454 N de força é necessário para removê-la). Quando o líquido sinovial for removido, o coeficiente de atrito aumentou consideravelmente.
3.4 MEDIDA DE MINERAL ÓSSEO NO CORPO
O osso é um dos órgão mais difíceis de se estudar. Com exceção dos dentes, os ossos são relativamente inacessíveis. Nesta seção descreveremos vários sistemas físicos para se estudar os ossos in vivo (no corpo vivo). Existem muitas outras técnicas físicas para se estudar os ossos, mas a maioria são usadas em amostras de ossos extirpados( estudos in vivo).

Doença óssea é um dos mais comuns problemas da idade avançada. Por exemplo, cada ano cerca de 150.000 mulheres nos Estados Unidos quebram a bacia. A maioria destas mulheres são de idade avançadas e tem osteoporose. A pouco anos atrás, a osteoporose era difícil de detectar até o paciente aparecer com uma quebradura de bacia ou uma vértebra esmagada. Naquele tempo era muito tarde para usar terapia preventiva.


Figura 13 - Raio - X convencional não são úteis para medidas quantitativas de minerais ósseos porque o feixe é heterogêneo, o espalhamento da imagem é desconhecida e o filme não é um detetor reprodutível
A resistência do osso depende em grande escala da massa do osso mineral presente, e a maioria das características experimentadas na osteoporose é a massa mineral óssea mais baixa que o normal. Assim uma simples técnica para medir a massa de mineral ósseo in vivo com boa acurácia e precisão (reprodutibilidade) era procurada. Era esperada que uma tal técnica poderia ser usada para diagnosticar osteoporose antes que uma fratura tenha ocorrido e também avaliar vários tipos de terapia para osteoporose. Desde que a massa de mineral ósseo diminui muito lentamente, de 1 a 2% por ano, uma técnica muito precisa era necessária para mostrar as variações.

A idéia de usar uma imagem de raio - X para medir a quantidade de mineral ósseo presente é antiga; ela foi tentada primeiramente em 1901! O maior problema de se usar raio - X ordinário (Fig. 13) são (1) o feixe de raio - X usual tem muitas energias diferentes, e a absorção dos raios-X pelo cálcio varia rapidamente com a energia neste intervalo de energia; (2) O feixe relativamente grande contém muita radiação espalhada quando atinge o filme; (3) o filme é um pobre detetor para se fazer medidas quantitativas desde que é não linear com respeito a quantidade e energia dos raios-X. A revelação dos filmes podem introduzir variações adicionais.




Figura 3.14 - Os componentes básicos usados na absormetria de fótons. Um radioisótopoque emite essencialmente uma única energia, tal como iodo 125 ( 27 keV) ou amerício 241 (60 keV), serve como fonte radioativa;o membro é embebida numa camada fina e uniforme de material equivalente ao tecido; e a fração transmitida do feixe estreito é detectada por um detetor de cintilação

O resultado líquidos destes problemas é que uma grande variação na massa de mineral ósseo ( 30 a 50%) deve ocorrer entre a tomada do raio - X do mesmo paciente antes que um radiologista possa estar certo de que existiu uma variação. Cada um dos problemas pode ser reduzido por métodos especiais, mas a determinação da massa de mineral ósseo por esta técnica (densimetria de filmes de raio - X) tem sido limitadas a somente uns poucos laboratórios no mundo.

Uma técnica melhorada baseada nos mesmos princípios físicos foi desenvolvida por J.R. Cameron começando por volta de 1960. Os componentes básicos usados nesta técnica, chamada absormetria de fótons estão mostrados na Fig 3.14. Três problemas com a técnica dos raios-X foram grandemente eliminados usando (1) um raio - X monoenergético ou fonte de radiação gama, (2) um feixe estreito para minimizar o espalhamento e (3) um detetor de cintilação que detecta todos os fótons e permite ser sorteados e contados individualmente. A determinação da massa de mineral ósseo posteriormente simplificada imergindo o osso a ser medido numa camada de espessura uniforme de tecido mole (ou seu equivalente em raio - X, p. ex., água). A Fig 15 mostra um gráfico do logaritmo da intensidade transmitida do feixe (log I) quando ele espalha através de um osso imerso numa espessura uniforme de “tecido”. A intensidade antes do feixe entrar no osso é chamada I0. A massa de mineral ósseo (BM) em qualquer ponto no feixe é proporcional ao log (I0/I) e é dada por BM (g/cm3) = k log (I0/I), onde k é uma constante que pode ser determinada experimentalmente. Este cálculo é feito eletronicamente para todos os pontos do feixe, e os resultados são integrados para dar a massa de mineral ósseo da fatia de osso em gramas por centímetro. Um moderno “scaner” clínico de osso que usa a técnica de absorção de fótons está mostrada na Fig. 16. A unidade tem uma reprodutibilidade de 1 a 2% quando usada por um operador treinado.

Uma outra técnica física para se medir mineral ósseo in vivo tem a vantagem do fato que quase todo o cálcio no corpo está nos ossos. Esta técnica é chamada ativação in vivo. O corpo todo é irradiado com nêutrons energéticos que convertem uma pequena quantidade do cálcio e alguns outros elementos em formas radioativas que emitem raios




Figura 15 - Um gráfico da intensidade transmitida do feixe quando ele atravessa o osso durante a absormetria de fótons. A intensidade é plotada numa escala logarítmica. A área hachuriada é proporcional a massa de osso mineral por unidade de comprimento.

Figura 16 - Uma clínica moderna de scaner ósseo manufaturados po Norland Instrument Co., Fort Atkinson, Wis. O braço é mantido numa bolsa de borracha contendo água. A massa de osso mineral e largura óssea aparecem na forma digital numa unidade à esquerda
raios gama energéticos, e os raios gama emitidos então são detectados e contados. Os raios gama do cálcio radioativo podem ser identificados por sua única energia (Fig. 17), e o número deles indica a quantidade de cálcio no corpo. A quantidade de mineral ósseo é então obtida multiplicando-se por uma constante. A fonte de nêutrons e o equipamento detetor do corpo todo são caros e não práticos para a medidas clínicas rotineiras. Além disso, por causa da relativamente grande exposição a radiação é um perigo; é indesejável usar a técnica em substratos saudáveis para obter dados normais.


Figura 17 - Um gráfico das intensidades de raios gama do corpo como uma função da energia (channels) após o corpo todo ser irradiado com 14 MeV e cerca de nêutrons de5 MeV. Os elementos radioativos causadores os principais picos de raios gama e suas energias são dados. Note o pico à direita causado pelo cálcio radioativo (49Ca). A área sob este pico indica a quantidade de cálcio ( e assim a quantidade de osso mineral) no corpo. (Reprinted de S. H. Cohn, K.K. Shukla, C. S. Dombrowski e R. G. Fairchild, Journal of Nuclear Medicine, Vol. 13, No. 7, com permissão do editor)

BIBLIOGRAFIA

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QUESTÕES DE REVISÃO


  1. Liste as seis funções do osso no corpo.

  2. Qual a porcentagem de células vivas no osso normal ?

  3. O que é remodelamento ósseo?

  4. Em que idade a atividade osteoclastic começa exceder a atividade osteoblastic?

  5. Qual é o maior componente do osso?

  6. Qual a porcentagem de cálcio no osso compacto?

  7. O mineral ósseo é acreditado ser feito de que material cristalino?

  8. Qual é a área superficial aproximada dos cristais minerais ósseos no corpo?

  9. Quais são as duas vantagens do osso trabecular sobre o osso compacto?

  10. Como o osso se compara ao granito na resistência?

  11. Qual é a densidade do osso compacto?

  12. Usando a informação da Fig. 3.7,
    a. Calcule a máxima tensão num osso com uma área de seção transversal de 4 cm2 poderia resistir logo antes de fraturar.

  1. Determine quanto um osso de 35 cm de comprimento poderia alongar-se sob esta tensão máxima.

  2. Calcule o stress neste osso se uma força de tensão de 104 N fosse aplicada a ele. Quanto este osso alongaria?

  1. Qual é a função do fluido sinovial?

  2. Qual é o coeficiente de atrito aproximado de uma junta óssea saudável?

  3. Dê três problemas envolvidos com o uso de uma imagem de raios para medir a massa de mineral ósseo in vivo.

1 N.T. - animal carnívoro noturno americano, da família do urso, semelhante ao guaxinim, com cauda longa e espessa

2 Adaptada de H. Q. Woodard, Health Physics, 8, 516 (1962)





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