The effect of hip and knee joint angles on the muscle-tendon unit during electrical stimulation

Abstract

Introdução: O comprimento muscular é um dos principais determinantes da capacidade de geração de força das fibras musculares. O torque varia expressivamente com a manipulação do ângulo articular. Alguns estudos relatam que o ângulo articular influencia o torque evocado e a eficiência da corrente (torque/amplitude da corrente) durante a estimulação elétrica neuromuscular (EENM). Tipicamente, o torque extensor do joelho é maior em ~60o de flexão em uma posição sentada. A arquitetura muscular (i.e., espessura, ângulo de penação [θp] e comprimento do fascículo [Cf]) e o deslocamento do complexo tendão-aponeurose (DCTA) têm sido estudados para explicar mecanismos da geração de torque durante a manipulação do comprimento muscular. No entanto, até o momento, não foram estudados os efeitos dos ângulos do quadril e do joelho durante a EENM no comportamento da unidade miotendínea dos constituintes do quadríceps femoral (QF): o biarticular reto femoral (RF) e os monoarticulares vasto lateral (VL), vasto medial (VM) e vasto intermédio (VI). Até onde sabemos, existe apenas um estudo crônico que trata da EENM em diferentes ângulos articulares, o qual mostrou melhores resultados para a EENM realizada em um maior comprimento muscular. No entanto, uma posição estendida do joelho foi previamente recomendada, apesar do pequeno tamanho de efeito relatado. Vários estudos têm aplicado a EENM do QF escolhendo aleatoriamente o ângulo articular, como sentado ou deitado, com os joelhos estendidos ou flexionados em diferentes ângulos, ou mesmo sem descrição completa. Os clínicos devem estar cientes da configuração articular a fim de otimizar as respostas musculares aos programas de exercícios isométricos. Objetivos: O objetivo principal deste estudo foi investigar o efeito dos ângulos do joelho (60o ou 20o) e do quadril (0o ou 85o) no torque evocado e na eficiência da corrente da EENM. Nós também avaliamos a arquitetura muscular (θp e Cf) em repouso e durante contração e o DCTA de cada componente do QF para investigar a contribuição deles. Hipóteses: Nossa hipótese inicial foi que durante a EENM seria obtido maior torque extensor com o joelho a 60o na posição sentada, porém com amplitude de corrente proporcionalmente menor, portanto, melhor eficiência da corrente. Também levantamos a hipótese de que o θp seria menor e o Cf seria maior quando o joelho estivesse em 60o para todos os componentes do quadríceps (RF, VL, VM e VI), mas para o RF, o quadril em 0o diminuiria o θp e aumentaria o Cf ainda mais. Além disso, esperávamos que o TACD fosse mais pronunciado em posições com maior torque. Métodos: Vinte homens hígidos com idade 24,0 ± 4,6 participaram de cinto sessões separadas por sete dias entre cada uma delas: uma sessão de familiarização e quatro sessões experimentais para testar quatro combinações diferentes de ângulos do quadril e do joelho durante EENM: quadril a 85o (sentado) e joelho a 60o (SJ60); quadril a 85o e joelho a 20o (SJ20); quadril a 0o (deitado) e joelho a 60o (DJ60); e quadril a 0o e joelho a 20o (DJ20). Oito contrações evocadas foram necessárias para realizar a ultrassonografia dos quatro componentes do QF (duas contrações para cada um). Os participantes foram questionados sobre condições de saúde e foi realizada a caracterização demográfica e antropométrica. Na familiarização foi verificado se os participantes toleravam amplitude de corrente suficiente para gerar um torque evocado ≥ 30% da contração voluntária máxima (CVM). Os valores de CVM, torque evocado, eficiência da corrente, amplitude da corrente, espessura muscular, θp, Cf, e DCTP foram reportados por meio de média ± desvio padrão. Para o θp e o Cf, as analyses foram realizadas com os valores de repouso e em contração, bem como com a mudança relativa (%). A ANOVA unidirecional de medidas repetidas com fator “posicionamento” (DJ60, SJ60, DJ20, SJ20) foi aplicada para verificar diferenças entre posições para a CVM, o torque evocado, a eficiência da corrente, a amplitude da corrente e o DCTA. A ANOVA bidirecional (“posicionamento” [4 níveis: DJ60, SJ60, DJ20, and SJ20] versus “intensidade” [2 níveis: repouso and contração evocada]) com medidas repetidas no fator posicionamento foi aplicada para verificar diferença entre posições para o θp e o Cf. Quando uma diferença significativa foi detectada, o teste post-hoc de Tukey foi aplicado. O limiar de significância foi estabelecido em P < 0,05. Todas as análises foram realizadas usando o STATISTICA 23.0 (STATSOFT Inc., Tulsa, Oklahoma, EUA) e o software GRAPHPAD PRISM 8.3.0 (San Diego, CA, EUA) foi utilizado para o design gráfico. Resultados: O torque evocado e a eficiência da corrente foram maiores para o DJ60 e o SJ60 em comparação com o DJ20 e o SJ20 (p <0,001). O QF (média de todos os músculos), o VL e o VM apresentaram menor θp e maior Cf em DJ60 e SJ60, enquanto o reto femoral demonstrou influência do ângulo do quadril, uma vez que em DJ60 houve menor θp e maior Cf do que em todas as outras posições (p < 0,001 – 0,05). O vasto intermédio se comportou semelhante aos demais vastos (p < 0,001), exceto pela falta de diferença no θp entre SK60 em comparação com DJ20 e SJ20 (p = 0,25 e 0,30, respectivamente). A TACD foi maior para o SJ60 em comparação com o DJ60 (p <0,001), apesar do mesmo torque. Discussão: Os principais achados deste estudo foram: 1) o torque evocado extensor do joelho e a eficiência da corrente foram maiores em 60o de flexão do joelho comparado com em 20o, sem diferença de acordo com o ângulo do quadril; 2) O QF teve menor θp and greater Cf em 60o de flexão de joelho. 3) O DCTA foi menor em DJ60 comparado com SJ60 apesar do mesmo torque. Estes novos achados são importantes para ajudar fisioterapeutas e treinadores físicos a desenvolverem estratégias mais efetivas quando aplicarem EENM. Nossos resultados estão de acordo com relatos anteriores que encontraram maior torque evocado a 60o de flexão do joelho em comparação com posições mais estendidas. Um ângulo articular escolhido com cautela permite atingir o torque alvo com menor amplitude de corrente e, com isso, com menos desconforto sensorial. Apenas dois estudos avaliaram a arquitetura de todos os constituintes do QF in vivo, mas eles não aplicaram ENM ou avaliaram diferentes ângulos articulares. Nosso principal achado foi que o QF demonstrou um padrão em que as posições com o joelho a 60o apresentavam θp menor e maior Cf quando comparadas às posições com o joelho a 20o. Assim, sugere-se que em DJ60 e o SJ60 o QF foi colocado em uma melhor configuração para geração de torque, ou seja, melhor aproveitamento da força muscular e comprimento ideal do sarcômero. O QF apresentou um DCTA menor em DJ60 comparado com SJ60, apesar do mesmo torque evocado, indicando que o aumento da tensão passiva em DJ60 limitou o alongamento tendíneo durante a contração. O aumento da tensão do complexo tendão-aponeurose em condições de alongamento permite contrações mais fortes com menor esforço devido à melhor transmissão de força do músculo para o osso. Conclusão: A EENM gera um torque maior a 60o de flexão do joelho, comparado a 20o, independentemente do ângulo do quadril. A arquitetura de cada constituinte do quadríceps demonstrou um comportamento único de acordo com o ângulo do quadril e do joelho, mas predominaram um menor θp e um maior Cf nas posições com maior torque (SJ60 e DJ60). Uma posição mais alongada enrijece o complexo tendão-aponeurose, como demonstrado por um DCTA menor em DJ60 em comparação com SJ60, o que provavelmente contribuiu para uma transmissão otimizada da força e um torque ligeiramente mais alto para o DJ60. Clínicos devem preferencialmente usar NMES em DJ60 ou DJ60 para fins de fortalecimento.