A fim de promover uma melhor compreensão das funções neurológicas e mecânicas do arco longitudinal, este autor discute o conceito do Sistema de Partilha de Carga do Arco Longitudinal (LALSS) e como o arco longitudinal desempenha um papel integral na facilitação da flexibilidade e estabilidade do suporte de peso diário.
O arco longitudinal do pé humano é uma estrutura única dentro do reino animal. Dudley J. Morton, MD (1884-1960), que foi médico, anatomista e antropólogo, escreveu um dos livros clássicos sobre a evolução do pé humano.1 Afirmou que o desenvolvimento do arco longitudinal medial foi um dos factores mais importantes que permitiu aos humanos alcançar a locomoção bípede.2
Outros autores alegaram que a principal razão para o desenvolvimento do arco longitudinal era endurecer o antepé sobre o pé traseiro para que os músculos fortes da barriga da perna pudessem empurrar mais eficazmente o peso do corpo para a frente durante a marcha e a corrida.3-6 Outros autores sugeriram que o arco longitudinal absorve o choque extra, o que era necessário ao suportar o peso em apenas dois membros.7,8
Seja qual for a razão do seu desenvolvimento, o arco longitudinal cria uma morfologia característica do pé humano, o que o torna distinto e separado de todos os outros membros do reino animal.
Embora os extremos da altura do arco longitudinal, que vão desde o pes planus ao pes cavus, tenham há mais de 150 anos profissionais médicos interessados, os podólogos de hoje precisam não só de compreender os efeitos mecânicos da altura do arco longitudinal, mas também de compreender a biomecânica do arco longitudinal durante as actividades de suporte de peso (ver ilustração à esquerda).9-11
De acordo, detalharei um novo conceito em biomecânica do arco longitudinal, o Sistema de Partilha de Carga do Arco Longitudinal (LALSS), neste artigo para ajudar a explicar a função neurológica e mecânica do arco longitudinal, e como o arco longitudinal permite ao pé exibir o seu equilíbrio requintado de flexibilidade e estabilidade durante as nossas actividades diárias de suporte de peso.12,13
Princípios Essenciais Sobre a Mecânica dos Sistemas de Partilha de Carga
O LALSS é um tipo de “sistema de partilha de carga”, que é um desenho comum tanto em sistemas mecânicos como eléctricos. Os sistemas de partilha de carga são muitas vezes concebidos com redundância, tendo vários componentes a executar a mesma operação, de modo que se um componente falhar, os outros componentes do sistema continuarão a ser capazes de executar a tarefa. Se todos os componentes funcionarem correctamente, a carga em cada componente do sistema diminui. Contudo, se um componente falhar, a carga sobre os restantes componentes do sistema de partilha de carga aumenta. Aviões com vários motores, centrais eléctricas com vários geradores e computadores com vários processadores são todos exemplos comuns de sistemas de partilha de carga.14,15
Um tipo familiar de sistema de partilha de carga que é mecanicamente análogo ao arco longitudinal do pé está presente na suspensão traseira dos camiões, onde tanto as molas foliares como os amortecedores amortecem as acelerações verticais entre o chassis do camião e o seu eixo traseiro. Tanto as molas foliares como os amortecedores trabalham em conjunto para endurecer a suspensão traseira e ajudar a evitar que o chassis do camião caia para fora enquanto conduz com cargas pesadas ou quando conduz em estradas irregulares. Se os amortecedores falharem no sistema de partilha de carga da suspensão traseira, as molas foliares terão uma carga aumentada. Se as molas foliares falharem, os amortecedores terão uma carga aumentada. Contudo, quando cada componente da suspensão traseira está a funcionar correctamente, a suspensão do veículo funciona de forma óptima e tanto as molas foliares como os amortecedores têm cargas reduzidas.
Mais recentemente, os amortecedores de rigidez variável tornaram-se disponíveis para as suspensões dos veículos. Os condutores podem ajustar manualmente estes amortecedores de rigidez variável durante a condução ou os microprocessadores ajustam automaticamente os amortecedores a fim de melhorar o conforto e as características de manuseamento do veículo.16,17 As propriedades de controlo destes amortecedores de rigidez variável nos veículos são mecanicamente análogas às propriedades de controlo que o sistema nervoso central (CNS) utiliza para regular a rigidez do arco longitudinal a fim de optimizar o conforto e a eficiência mecânica do indivíduo durante a multiplicidade de actividades de suporte de peso que ele ou ela executa diariamente.
Um Guia para os Elementos de Carga de Compressão do Sistema de Partilha de Carga do Arco Longitudinal
Forças externas, consistindo em força de reacção ao solo (GRF) que actuam sobre o pé traseiro plantar e antepé, exercem grandes momentos de achatamento sobre o arco longitudinal. Nenhuma outra parte do corpo está regularmente sujeita a forças externas tão grandes como o pé plantar.18 Durante a caminhada, os picos de carga actuando sobre o pé plantar variam de 1,1 a 1,5 vezes o peso do corpo enquanto que, durante a corrida, os picos de carga são o dobro da caminhada.19 Durante as actividades de salto, os picos de carga actuando sobre o pé plantar podem facilmente exceder mais de quatro vezes o peso do corpo.20 Além disso, as forças internas, que consistem na força de compressão tibial actuando sobre o talo dorsal e a força de tensão do tendão de Aquiles actuando sobre o calcâneo posterior, contribuem para os momentos de achatamento excepcionalmente grandes a que o arco longitudinal está sujeito durante as nossas actividades diárias de suporte de peso (ver ilustração à direita).
Para resistir a estas grandes forças externas e internas durante as actividades de pé, marcha, corrida, salto e outras actividades de suporte de peso, o arco longitudinal deve desenvolver forças internas que resistam à deformação e à aplanação do arco longitudinal. Consequentemente, o arco longitudinal é composto por dois tipos principais de elementos: 1) os elementos que suportam cargas de compressão, incluindo os ossos e a cartilagem articular do arco longitudinal; e 2) os elementos que suportam cargas de tensão, incluindo a fáscia plantar, os ligamentos plantares e os músculos intrínsecos e extrínsecos plantares do pé.21
As estruturas ósseas juntamente com a cartilagem articular hialina do arco longitudinal e as suas articulações compreendem os elementos que suportam cargas de compressão do arco longitudinal. Os ossos do arco longitudinal são excelentes para resistir às cargas de compressão e também bons para resistir às cargas de flexão e torção.22 A cartilagem articular hialina que cobre as superfícies das articulações do arco longitudinal serve não só como amortecedor de choque interósseo para o arco longitudinal, mas também proporciona um deslizamento de baixo atrito e redução das pressões de pico ósseo subcondral dentro das articulações do pedal.23
Os ossos do arco longitudinal também servem como pontos de fixação para os elementos de carga de tensão do LALSS e formam a estrutura estrutural do arco longitudinal. Tal como as vigas de madeira dentro do telhado de uma casa resistem à compressão, flexão e forças de torção devido a cargas verticais e de cisalhamento que actuam no telhado devido à neve e ao vento, os ossos do arco longitudinal resistem à compressão, flexão e forças de torção devido a cargas verticais e de cisalhamento que actuam no pé plantar. Os ciclos de carga e descarga do arco longitudinal resultam no achatamento e elevação do arco longitudinal, o que normalmente ocorre sem lesão do indivíduo, milhares de vezes todos os dias, semana após semana, mês após mês, e ano após ano.
Entendendo os Elementos de Carga de Tensão do Sistema de Partilha de Carga do Arco Longitudinal
Os elementos de carga de compressão (isto é, ossos e cartilagem articular) do arco longitudinal não podem, por si só, resistir ao achatamento do arco longitudinal. Precisam de elementos de suporte internos que possam fornecer forças de tensão plantares para ajudar a resistir à aplanação do arco. Estas forças internas têm origem nas quatro camadas de elementos de suporte de tensão do LALSS: a fáscia plantar, músculos intrínsecos plantares, músculos extrínsecos do arco longitudinal plantar e ligamentos plantares. Estas estruturas de carga de tensão localizadas plantares trabalham em sinergia para regular a rigidez do arco longitudinal de modo a que ocorra um achatamento óptimo do arco longitudinal durante todas as actividades de carga de peso.
A fáscia plantar tem origem no tubérculo calcaneal medial proximal e insere-se como cinco deslizamentos separados nas bases das falanges proximais dos cinco dígitos, sendo a camada mais superficial dos elementos de carga de tensão do LALSS.24 A fáscia plantar é uma estrutura elástica que está sujeita a forças que os autores estimaram ser 0,96 vezes o peso corporal em experiências simuladas de cadáveres.25,26 Além disso, a investigação clássica da Hicks sobre biomecânica da fáscia plantar demonstrou um “efeito de guincho” de elevação do arco com dorsiflexão do hallux e um “guincho inverso” de descida do arco com dorsiflexão plantar do hallux.27 A transecção da fáscia plantar reduz a rigidez do arco longitudinal, que por sua vez produz aplanamento e alongamento do arco longitudinal.28-30 Tal como os ligamentos plantares, a tensão dentro da fáscia plantar não está sob o controlo directo do sistema nervoso central, mas é regulada passivamente por alterações na forma do arco longitudinal.13
Os músculos intrínsecos plantares formam a camada seguinte dos elementos que suportam a carga de tensão do LALSS, sendo apenas profundos à fáscia plantar (ver ilustração à esquerda). Os músculos alucis abdutores, flexor digitorum brevis, abductor digiti quinti e quadratus plantae são os músculos intrínsecos plantares mais importantes quando se trata de prevenir o achatamento e alongamento do arco longitudinal com os outros músculos intrínsecos plantares, tendo provavelmente um papel menor.31 Kelly e colegas de trabalho demonstraram em pesquisas recentes de electromiografia por fio fino (EMG) que o sistema nervoso central activa os músculos intrínsecos plantares para ajudar a endurecer o arco longitudinal para ajudar ao equilíbrio, ajudar a evitar a achatação do arco com forças de carga verticais crescentes e endurecer o arco mais durante a corrida do que durante a caminhada.32-34
Os músculos extrínsecos do arco longitudinal plantar formam a camada seguinte de elementos que suportam a carga de tensão do LALSS, apenas profundamente para os músculos intrínsecos plantares (ver ilustração à direita). Estes músculos extrínsecos incluem os músculos tibial posterior, flexor digitorum longus, flexor alucis longus e peroneus longus. Os tendões posteriores tibial e peroneus longus atravessam plantarmente o arco e causam um momento de flexão plantar dos pés anteriores, o que ajuda a resistir ao achatamento do arco longitudinal. O flexor alucis longus e o flexor digitorum longus inserem ambos distal às articulações metatarsofalangianas (MPJs), pelo que a sua actividade contrátil gera um momento de flexão plantar do antepé devido ao aumento da força de compressão proximalmente dirigida que actua sobre as cabeças metatarsofalangianas distais.21
Os ligamentos plantares formam a camada mais profunda dos elementos que suportam a carga de tensão do LALSS e, tal como a fáscia plantar, são estruturas passivas que só terão forças de tensão aumentadas quando o arco longitudinal for alongado e achatado. Crary e colegas de trabalho descobriram que a tensão no ligamento de mola aumentou 52% e a tensão no ligamento plantar longo aumentou 94% após a fasciotomia plantar nos pés de cadáveres.35 Portanto, mesmo sem actividade do sistema nervoso central, a fáscia plantar e os ligamentos plantares podem ajudar a evitar a achatação do arco longitudinal utilizando apenas mecanismos passivos.
Como funciona o sistema de partilha de carga do arco longitudinal
O arco longitudinal tem múltiplas funções durante as actividades de suporte de peso. O arco deve ser capaz de aplanar para amortecer as forças de impacto verticais e deve alterar a sua forma quando o pé plantar encontra terrenos irregulares. Além disso, o arco longitudinal deve ser capaz de resistir à deformação aplanada durante as actividades propulsivas, para que as forças musculares dos poderosos músculos gastrocnémicos e do solado se transfiram para o antepé plantar com a máxima eficiência mecânica. O sistema nervoso central controla a rigidez do arco longitudinal monitorizando continuamente a entrada sensorial do sistema nervoso periférico e enviando subsequentemente a saída motora para os músculos intrínsecos e extrínsecos do LALSS, a fim de optimizar a função portadora de peso do pé, extremidade inferior e indivíduo inteiro.12
As quatro camadas de elementos portadores de carga de tensão do LALSS acima mencionadas estão divididas em elementos passivos e activos. Uma vez que o sistema nervoso central não controla os elementos passivos, a fáscia plantar e os ligamentos plantares, só serão sujeitos a forças de tensão aumentadas quando o arco longitudinal se achatar e se alongar. No entanto, como o sistema nervoso central controla os elementos activos, os músculos intrínsecos e extrínsecos do arco plantar, estes podem ser activados ou desactivados quando o sistema nervoso central determina que é necessário aumentar ou diminuir o endurecimento do arco longitudinal. Portanto, os ligamentos plantares e a fáscia plantar fornecem um nível de base de rigidez do arco longitudinal, enquanto a activação do sistema nervoso central dos músculos intrínsecos e extrínsecos plantares aumenta a rigidez do arco longitudinal sobre este nível de base, a fim de optimizar a função de suporte de peso do pé e do indivíduo.12
Uma das características mais importantes da concepção mecânica do LALSS é que, como em qualquer outro sistema de partilha de carga, se um elemento do LALSS falhar, o arco longitudinal continuará a funcionar, resistindo à deformação aplanada. Contudo, com a falha de um elemento de suporte do LALSS, ocorrerão maiores exigências de tensão sobre os restantes elementos do LALSS. Por exemplo, com uma ruptura fascial plantar ou fasciotomia plantar, o arco longitudinal não colapsa totalmente, mas os ligamentos plantares e os músculos intrínsecos e extrínsecos plantares desenvolvem forças de tensão aumentadas para manter a rigidez longitudinal e evitar a achatação excessiva do arco longitudinal (ver ilustração à esquerda). Sem este sistema único e sinérgico de partilha de carga dentro do pé, o arco longitudinal provavelmente não teria a rigidez ou a força para manter a sua forma e função correctamente numa base diária ao longo da vida do humano bípede.12
Uma rápida visão geral sobre a dinâmica do controlo do sistema de partilha de carga do arco longitudinal passivo
Como notei anteriormente, o sistema nervoso central não controla directamente os elementos passivos do LALSS, a fáscia plantar e os ligamentos plantares. Como tal, estes elementos passivos só podem exercer forças de tensão quando os dorsiflexos do antepé no retropé ou, por outras palavras, quando o arco longitudinal se achata e se alonga. Assim, quando a fáscia plantar e os ligamentos plantares são alongados com o arco achatado, o arco longitudinal continuará a achatar até que haja momentos de flexão plantar do antepé suficientes para evitar mais achatamento e alongamento do arco longitudinal, permitindo que o arco longitudinal se torne estável no solo.
Os investigadores mostraram uma relação mecânica directa entre a tensão do tendão de Aquiles e a tensão da fáscia plantar.26,36 Durante a marcha ou corrida, à medida que o centro de massa do corpo se move mais anteriormente em relação ao pé e a força de reacção ao solo aumenta no antepé plantar, o aumento da força do tendão de Aquiles que ocorre também irá causar um aumento da força de tensão dentro da fáscia plantar e dos ligamentos plantares. Assim, os aumentos da força de reacção no solo que actuam sobre o antepé plantar que causam um aumento da tensão passiva dentro da fáscia plantar e dos ligamentos plantares têm um profundo efeito biomecânico na capacidade das articulações do meio das tártaro e do meio do pé de resistir à dorsiflexão durante a marcha tardia e a propulsão.
Pertinent Insights On The Longitudinal Arch Auto-Stiffening Mechanism
Há um quarto de século atrás, Dananberg descreveu um “efeito de cunha de bloqueio e treliça”, que atribuiu ao aperto da fáscia plantar durante a marcha e descreveu como um “mecanismo de auto-suporte”.”37 Mais recentemente, Kirby descreveu uma outra função automática do pé, o Mecanismo de Auto-Desengorduramento do Arco Longitudinal, que permite o endurecimento automático de todo o arco longitudinal à medida que o pé progride do início ao fim da fase intermédia da marcha (ver ilustração à direita).38
O Mecanismo de Auto-Desengorduramento do Arco Longitudinal é um produto da ligação mecânica integral que existe entre o tendão de Aquiles, os ligamentos plantares e a fáscia plantar. O efeito deste aumento passivo da fascia plantar e da tensão dos ligamentos plantares com o aumento da força de reacção ao solo no antepé plantar é um endurecimento automático do arco longitudinal. Este endurecimento automático do arco longitudinal não só ajuda a limitar mais a achatação e alongamento do arco longitudinal durante o meio tardio, mas também ocorre sem qualquer activação directa do sistema nervoso central da fáscia plantar e dos ligamentos plantares.12,13
O Mecanismo de Auto-estiramento do arco longitudinal é directamente devido à construção única do pé humano, tornozelo e extremidade inferior. Em primeiro lugar, os elementos ósseos do arco longitudinal formam uma estrutura arqueada única, que tem o suporte dos dois elementos de carga de tensão plantares localizados, a Fáscia plantar e os ligamentos plantares. Em segundo lugar, o tendão de Aquiles, ao ligar-se ao calcâneo posterior e sendo posterior ao eixo articular do tornozelo, exerce simultaneamente um momento de flexão plantar do tornozelo e um momento de flexão plantar do pé traseiro com aumentos das suas forças de tensão. Este aumento do momento de flexão plantar do pé traseiro devido ao aumento da tensão do tendão de Aquiles durante o meio tardio tende a causar aplanação do arco longitudinal, aumentando automaticamente a rigidez do arco longitudinal.38
O Mecanismo de Auto-Deflexão do Arco Longitudinal tornou-se evidente para mim pela primeira vez em 2004. Nessa altura, dois outros investigadores de biomecânica e eu fizemos experiências no Laboratório de Biomecânica da Universidade Estatal da Pensilvânia com espécimes de pés de cadáveres congelados.39 Os tendões de Aquiles destes espécimes foram amarrados a um cabo de aço de modo que, mesmo nestes pés sem vida e sem controlo activo dos músculos do sistema nervoso central, o arco longitudinal tornou-se mais rígido com o aumento da carga plantar do antepé. Estas observações experimentais sugeriram que não era necessária energia metabólica extra para produzir rigidez do arco longitudinal e apenas era necessário um aumento da tensão do tendão de Aquiles para resistir aos momentos de dorsiflexão da articulação do tornozelo que ocorrem devido à força de reacção no solo que actua sobre o antepé plantar. Portanto, devido à ligação mecânica entre o tendão de Aquiles, fáscia plantar e ligamentos plantares, o Mecanismo de Auto-estiramento do Arco Longitudinal provavelmente aumentou muito as capacidades de locomoção do humano bípede ao longo dos milénios, diminuindo o custo metabólico de andar e correr.38
O que se deve saber sobre o Controlo do Sistema de Partilha de Carga de Arco Longitudinal Activo
Os elementos activos do LALSS, os músculos intrínsecos plantares e os músculos posteriores tibial, flexor digitorum longus, flexor alucis longus e peroneus longus, trabalham todos juntos sob controlo do sistema nervoso central para tornar o pé num órgão mecanicamente mais eficiente e estável para o corpo humano. O sistema nervoso central tem a capacidade de tornar os arcos longitudinais mediais ou laterais mais rígidos se o sistema nervoso central determinar que estes aumentos na rigidez do arco irão optimizar as actividades de suporte de peso do indivíduo.12
Por exemplo, para que o pé se mantenha plantígrado em manobras rápidas lado a lado ou para se conformar a uma superfície inclinada, o sistema nervoso central pode aumentar a rigidez do arco longitudinal medial, sem alterar a rigidez do arco longitudinal lateral. Como mencionei anteriormente, este mecanismo de controlo central do LALSS pelo sistema nervoso central é mecanicamente análogo a um amortecedor controlado por microprocessador numa suspensão avançada do veículo que pode aumentar a eficiência mecânica, a segurança e o conforto de condução. Do mesmo modo, a capacidade do sistema nervoso central de utilizar o desenho único do LALSS para regular contínua e precisamente a rigidez do arco longitudinal proporciona uma função mecanicamente mais eficiente do pé, o que por sua vez permite ao indivíduo ajudar a evitar lesões durante a multiplicidade de actividades de suporte de peso que executa durante toda a sua vida.12
Em Conclusão
Há mais de seis séculos, após os seus extensos estudos da anatomia do corpo humano, Leonardo Da Vinci escreveu que “o pé humano é uma obra-prima de engenharia e uma obra de arte”.40 O arco longitudinal do pé humano é uma daquelas maravilhas de engenharia únicas no reino animal. Com uma combinação de elementos passivos que proporcionam uma rigidez de base ao arco longitudinal e elementos activos que permitem uma regulação contínua da rigidez do arco longitudinal sobre esta base, o ser humano bípede beneficia sem dúvida significativamente deste mecanismo afinado com precisão dentro do apêndice que suporta o peso, o pé. Ao apreciar plenamente a elegante complexidade de engenharia do arco longitudinal do pé, o podologista aumentará grandemente a sua capacidade de compreender a função do pé e, assim, conceber tratamentos conservadores e cirúrgicos mais eficazes do ponto de vista terapêutico para os pacientes.
Dr. Kirby é Professor Associado Adjunto no Departamento de Biomecânica Aplicada na Escola de Medicina Podiatrica da Califórnia na Universidade Samuel Merritt em Oakland, Califórnia. Está em clínica privada em Sacramento, Califórnia.
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