Palavras-chave módulo de Young - técnicas de imagem por elasticidade - tendão patelar
Introdução
Nas últimas décadas, as propriedades mecânicas dos tendões foram amplamente estudadas,
o que proporcionou conhecimento sobre seu comportamento.[1 ]
[2 ]
[3 ]
[4 ] Recentemente, a avaliação do módulo de elasticidade (E) e da resistência à falha
(RF) do tecido tendinoso ganhou importância na literatura.[5 ] Em 2013, LaCroix et al.[5 ] evidenciaram íntima relação entre essas propriedades, apesar de serem distintas
conceitualmente.
Vários métodos de aferição dessas propriedades foram utilizados nas publicações sobre
o tema, mas a maioria contém vieses.[3 ]
[6 ]
[7 ]
[8 ]
[9 ]
[10 ]
[11 ]
[12 ]
[13 ]
[14 ] Os resultados dos estudos in vivo são habitualmente obtidos de maneira indireta, a partir de cálculos que associam
imagens de ressonância magnética e ultrassonografia com dados fornecidos por dinamômetro.[10 ]
[13 ] Análises ex vivo de tendões de cadáveres humanos e de animais têm sido realizadas por diversos autores.[2 ]
[3 ]
[6 ]
[9 ]
[11 ]
[12 ]
[14 ] Contudo, a confiabilidade desses estudos é questionável pelo protocolo de preparo
dos tecidos cadavéricos estudados.[10 ]
[15 ]
Surgiu a necessidade de novos métodos de análise que contemplassem estudos in vivo e avaliação direta. Recentemente, a ultrassonografia associada à elastografia vem
sendo amplamente aplicada para avaliar a rigidez dos tecidos, pois é capaz de aferi-la
de maneira não invasiva, em tempo real, menos dependente da habilidade do operador.[7 ]
[16 ]
[17 ]
[18 ]
[19 ]
[20 ]
Existem diferentes modalidades de elastografia, e a mais recentemente desenvolvida
foi a elastografia por ondas de cisalhamento (supersonic shear-wave imaging , SSI, em inglês).[17 ]
[20 ]
[21 ] Nesse método, uma força de radiação acústica gera ondas de cisalhamento no tecido,
que são detectadas pelo transdutor ultrassonográfico.[14 ]
[17 ]
[21 ] A velocidade dessas ondas e o módulo de cisalhamento (μ) do tecido são fornecidos
pelo sistema, e expressa a rigidez.[12 ]
[14 ]
[17 ]
[19 ]
[21 ]
O uso da SSI está bem estabelecido para a avaliação de meios isotrópicos, como os
tecidos mamário, hepático e tireoidiano.[22 ]
[23 ]
[24 ] Apesar de necessitar de validação mais robusta, desde o início da última década
a SSI tem sido utilizada no tecido musculoesquelético, um tecido anisotrópico, e o
método encontra-se em ascensão promissora.[1 ]
[6 ]
[7 ]
[8 ]
[16 ]
[18 ]
[19 ]
[20 ]
[25 ]
[26 ]
[27 ] Por sua característica anisotrópica, o μ do tendão não apresenta a relação matemática
esperada com o E.[14 ]
[17 ]
[21 ] Apesar disso, estudos recentes[8 ]
[9 ]
[11 ]
[12 ]
[14 ]
[25 ] demonstraram forte correlação entre o μ do tendão obtido pela SSI e seu E calculado
pela fase linear do gráfico stress x strain . Contudo, a maioria desses ensaios utilizou tendões de outras espécies animais, e
são de baixa evidência científica.[9 ]
[11 ]
[12 ]
[14 ]
Há na literatura dois estudos[8 ]
[25 ] que comparam o comportamento mecânico de tendões humanos ex vivo com a análise elastográfica feita pela SSI. O presente estudo visa avaliar as propriedades
mecânicas dos tendões patelar (TP) e semitendinoso (ST), por sua grande relevância
e utilização como enxerto nas cirurgias de reconstrução ligamentar do joelho,[28 ] por meio da SSI e da dinamometria.
O objetivo principal foi obter e comparar o E do TP e ST ao tensionamento, pela avaliação
da curva stress x strain registrada na máquina de tração. Os objetivos secundários foram obter e comparar
o μ do TP e ST na avaliação ultrassonográfica em repouso por SSI e analisar a influência
da tensão tecidual na avaliação pela SSI, por meio da análise da correlação entre
o μ e o stress aplicado a esses tendões.
Materiais e Métodos
Declaração de ética e desenho experimental
Foi realizado um estudo transversal, aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa (CEP)
da instituição, sob o parecer consubstanciado 1.674.064 (CAAE: 26828914.3.0000.5257),
desenvolvido no Laboratório de Biomecânica de 2019 a 2022.
A amostra inicial era composta por 14 amostras de TP e 19 de ST, obtidas de cadáveres
humanos congelados enquanto ainda frescos, fornecidos pelo banco de tecidos do Ministério
da Saúde (MS). O fornecimento de tais tendões ocorreu após eles serem considerados
inaptos para a utilização em cirurgias, principalmente por contaminação em alguma
fase do processamento no banco de tecidos. Em sua maioria, o microrganismo detectado
foi o Staphylococcus epidermidis , bactéria que comumente coloniza a pele de seres humanos.
A distribuição demográfica das amostras está demonstrada nas [Tabelas 1 ] e [2 ].
Tabela 1
Gênero
N
Idade média (anos)
Masculino
5
28,2 (22–35)
Feminino
2
28 (26–30)
Tabela 2
Gênero
N
Idade média (anos)
Masculino
4
27,5 (22–35)
Feminino
1
22
O uso de tendões humanos congelados enquanto ainda frescos se justificou pelo fato
de que tecidos conservados em formol perdem suas propriedades mecânicas.[2 ]
[15 ] Nesse sentido, optou-se por obter o material amostral do MS, pois o ministério tem
como protocolo preparar os tecidos musculoesqueléticos sem irradiá-los, o que evita
danos às suas características biomecânicas.
Os critérios de inclusão foram: tendões de cadáveres humanos congelados enquanto ainda
frescos, com idades entre 20 e 35 anos na data do falecimento, e conservação em freezer com temperatura de -80° C no banco de tecidos.
Os critérios de exclusão foram: sinal de doença degenerativa nos tendões, tempo de
armazenamento superior a dois anos, presença de rupturas macroscópicas, irradiação
dos tendões no preparo pelo banco de tecidos e registro biomecânico ou elastográfico
inadequado.
Após a aplicação dos critérios de exclusão e a ocorrência de danos acidentais aos
tendões durante o preparo pré-teste, houve perda de 7 amostras de TP e 14 de ST, e
restaram 7 amostras de TP e 5 de ST para a análise final.
Preparo das amostras
As amostras foram mantidas em ambiente refrigerado a -20°C em freezer do Laboratório de Imunologia. Para a testagem, os tendões foram descongelados uma
hora antes em temperatura ambiente.
O TP foi preparado após o descongelamento da peça anatômica fornecida pelo MS, que
consistia no aparelho extensor do joelho por inteiro, com tendão quadricipital, patela,
TP e tuberosidade da tíbia. Foram confeccionadas as peças para a testagem com plugs ósseos em ambas as inserções do TP, cada uma medindo aproximadamente 1,0 cm em cada
dimensão, e a parte tendinosa intermediária, com aproximadamente 1,0 cm de largura
([Fig. 1 ]). Cada plug ósseo foi perfurado com broca de 2,5 mm, o que gerou orifícios para a passagem de
fio Ethibond 5 (Ethicon, Inc., Raritan, NJ, Estados Unidos).
Fig. 1 Tendão patelar (TP) preparado para o teste.
O ST teve processamento prévio ao congelamento no banco de tecidos. Seu comprimento
foi padronizado desde a junção miotendínea até a sua inserção tibial. Após o descongelamento,
foi aplicada sutura tipo Krakow com Ethibond 5 em ambas as extremidades, para otimizar
a ancoragem.
Em ambos os tendões, foi utilizado o sistema de fixação à máquina universal de ensaio
por garras metálicas ([Fig. 2 ]).
Fig. 2 Garras metálicas de fixação.
No ST, previamente ao método definitivo de fixação às garras metálicas, foram feitas
duas tentativas. Na primeira, os tendões foram presos diretamente às garras, o que
provocou dano estrutural macroscópico nas primeiras amostras e soltura de suas extremidades
na interface com as garras quando o teste de tração ainda se iniciava, e o método
foi abandonado. Em uma segunda tentativa, a ancoragem dos tendões foi realizada amarrando
o Ethibond 5 diretamente a tubos plásticos, que foram presos às garras. Mais uma vez,
houve perdas por danos estruturais aos tecidos e geração de leitura elastográfica
ou biomecânica inadequada, e o método também foi abandonado. Após o fracasso dos testes
com esses dois protótipos de ancoragem, infelizmente foram totalizadas 14 perdas de
amostras de ST. Finalmente, para gerar fixação mais eficaz entre a garra e o ST, estes
foram inseridos em tubos plásticos e fixados a eles com fios Ethibond 5, presos a
parafusos convencionais a cavaleiro ([Figs. 3 ]
[4 ]). Este último método, tido como ideal e definitivo, não causou qualquer dano ou
interferência na aquisição dos dados.
Fig. 3 Tendão semitendinoso (ST) inserido em tubos e fixado a cavaleiro em parafusos.
Fig. 4 Montagem final do ST.
Elastografia
Para a aquisição das imagens elastográficas, foi utilizado o equipamento Aixplorer
(SuperSonic Imagine, Aix-en-Provence, França), com transdutor linear operando na frequência
de 6 a 20MHz. Antes de cada teste, o transdutor foi cuidadosamente alinhado no mesmo
direcionamento das fibras tendinosas, utilizando o modo B do ultrassom ([Fig. 5A ]), garantindo que o μ fosse medido no mesmo sentido da tração longitudinal.
Fig. 5
. (A ) Tendão alinhado na ultrassonografia (US) modo B. (B ) Região de interesse (RI) no modo elastografia.
O modo elastográfico foi ativado utilizando-se o preset musculoskeletal (MSK) adaptado, cuja escala varia de 0 a 800 kPa. A área de mapeamento teve forma
retangular, o que permitiu a delimitação do tendão. Para estabilização do mapeamento
em cores das imagens elastográficas ([Fig. 5B ]), o teste foi iniciado após 10 segundos.
Um braço robótico AUBO i5 (AUBO Robotics, Pequim, China) ([Figs. 6 ]
[7 ]) foi utilizado na coleta das imagens, e manteve-se o transdutor fixo e imóvel, posicionado
sobre a região de interesse (RI). Utilizou-se gel (Ultrex-gel, Farmativa Indústria
e Comércio Ltda., Rio de Janeiro, RJ, Brasil) para o acoplamento acústico na superfície
do tendão.
Fig. 6. Braço robótico mantendo posicionamento do transdutor linear.
Fig. 7 Posicionamento do transdutor durante o teste na máquina de tração.
Na análise do μ, foi utilizada uma rotina própria desenvolvida pelo Laboratório de
Biomecânica (por meio do programa Matlab R2013a, The MathWorks, Inc., Natick, MA,
Estados Unidos). A aquisição das imagens da elastografia foi feita até o momento da
saturação do mapeamento. Nesse instante, o vídeo e o tensionamento eram interrompidos.
Testagem biomecânica
Na realização dos testes de tensionamento, foi utilizada máquina de ensaio de tração
Biopdi (São Carlos, SP, Brasil) com célula de carga de 5 kN. A temperatura e a umidade
relativa do ar no laboratório durante os testes foram padronizadas e mantidas constantes,
a 23° C e 50%, respectivamente. O TP e o ST foram presos em suas extremidades às garras
de metal que se acoplam à máquina de tensionamento, com uma das extremidades ficando
fixa enquanto a outra era progressivamente tracionada a uma velocidade de 1 mm/min,
num eixo longitudinal uniaxial.
Os valores da máquina de ensaio foram referentes à posição (mm) e à força (N). Por
meio do programa Matlab, os dados foram filtrados no filtro butterworth de ordem 6. Foi feito ajuste exponencial de ordem 3, e finalizou-se com splines de 0,5. Após o processo, foram calculadas a tensão (stress ) e a deformação (strain ), utilizando o comprimento inicial e a área de secção transversa, medidos anteriormente.
Análise estatística
Os dados descritivos, como desvio padrão (DP) e média, foram calculados. A normalidade
das distribuições foi calculada pelo teste de Shapiro-Wilk. O teste t para grupos independentes, com correção de Welch, foi aplicado para comparação do
μ em repouso entre TP e ST. O coeficiente de correlação de Pearson foi utilizado para
a relação entre o μ sob tensão com o stress dos tendões, em instantes da curva stress x strain . Foi realizada regressão linear sobre as distribuições para a obtenção da medida
da inclinação (slope ) da curva. O E foi calculado pela fórmula slope
-1 , pois optou-se pelo stress como variável independente no eixo x. valores de p < 0,05 foram considerado significativos. As análises foram realizadas por meio do
programa GraphPad Prism (GraphPad Software, Inc., La Jolla, CA, Estados Unidos), versão
7.0.
Resultados
Módulo de cisalhamento em repouso
O μ inicial (sem tensionamento) do ST foi superior ao do TP, de forma estatisticamente
significativa (ST = 124,3 ± 7,231 kPa; TP = 58,86 ± 5,226; p = 0,0059) ([Fig. 8 ]).
Fig. 8 Módulo de cisalhamento (μ) do TP e do ST, em repouso. Nota: *p < 0,05.
Correlação entre módulo de cisalhamento e stress
O μ apresentou uma correlação considerada muito forte com o stress para ambos os tendões (R = 0,9507; p < 0,0001 para o TP; e R = 0,9528; p < 0,0001 para o ST) ([Tabela 3 ]).
Tabela 3
Coeficiente de correlação (R)
N
μ x stress
p
Tendão patelar
7
0,9507 (0,839–0,985)
< 0,0001
Tendão semitendinoso
5
0,9528 (0,845–0,986)
< 0,0001
Variação do módulo de cisalhamento no stress
A variação do μ do ST e do TP sob stress não apresentou diferença estatisticamente significativa (ST: inclinação de 0,664 ± 0,063
kPa; TP: inclinação de 0,872 ± 0,085 kPa; p = 0,065). Entretanto, foi observada uma diferença estatisticamente significativa
entre o μ dos tendões, especialmente notada em tensões menores (ST: elevação de 116,8–133,3
kPa; TP: elevação de 47,14–69,31 kPa; p < 0,0001) ([Fig. 9 ]).
Fig. 9 Relação stress x módulo de cisalhamento (µ). Nota: * p < 0,05
Deformação percentual (strain ) sob stress e módulo de Young
O ST apresentou maior resistência à deformação do que o TP, com diferença estatisticamente
significativa (ST: inclinação de 0,05 ± 0,005; TP: inclinação de 0,008 ± 0,0002; p < 0,0001). Uma diferença estatisticamente significativa foi observada com relação
ao E calculado dos tendões (ST = 124,8 kPa; TP = 19,97 kPa; p < 0,0001) ([Fig. 10 ]).
Fig. 10 Relação stress x strain . Nota: *p< 0,05
Discussão
O estudo das propriedades mecânicas dos tendões traz informações sobre sua função,
prevenção e tratamento de doenças.[1 ]
[3 ]
[18 ]
[26 ]
[27 ]
[29 ] Neste contexto, o ST e o TP se destacam em importância pela sua vasta utilização
como enxerto em cirurgias de reconstrução ligamentar.[28 ]
Neste estudo, foram utilizados tendões de cadáveres congelados enquanto ainda frescos,
cedidos pelo MS, não danificados por formol ou radiação ionizante, o que possibilitou
avaliar a curva stress x strain e computar a relação entre o stress e o strain . O ST apresentou maior resistência ao strain sob stress do que o TP, com diferença estatisticamente significativa (p < 0,0001). Isso também foi observado com o E calculado, que apresentou valor muito
superior no ST (ST = 124,8 KPa; TP = 19,97 KPa; p < 0,0001). Foi comparado o μ do TP ao do ST, obtidos por meio da avaliação ultrassonográfica
em repouso feita por SSI. Novamente, o ST foi mais rígido do que o TP (ST = 124,3 ± 7,231
kPa; TP = 58,86 ± 5,226 KPa; p = 0,0059), o que evidencia a concordância entre os resultados obtidos pela SSI e
os dos testes de tração. Ainda foi registrada a influência da tensão tecidual na avaliação
pela SSI, que evidenciou que, quanto maior o stress aplicado, maior o μ registrado em ambos os tendões, havendo correlação muito forte
entre os parâmetros (TP: R = 0,9507; p < 0,0001: e ST: R = 0,9528;. p < 0,0001).
Nas últimas décadas, tem sido demonstrada a relevância da SSI na avaliação dos tendões
in vivo como uma técnica realizada em tempo real.[7 ]
[18 ]
[19 ]
[20 ]
[26 ]
[27 ]
[29 ] Uma série de trabalhos[19 ]
[29 ]
[30 ] chamaram a atenção para a importância de padronizar a obtenção das imagens, especialmente
quanto à posição do membro examinado. Em 2019, foi publicado pela primeira vez estudo[8 ] que evidencia a relação íntima entre o μ registrado na SSI e o stress ao qual é submetido um tendão humano não formolizado. No entanto, tal trabalho utilizou
apenas um espécime, e apresentou baixo nível de evidência. No presente estudo, repetiu-se
essa testagem com 2 tipos de tendões (TP e ST), e foram utilizadas 12 amostras; evidenciou-se
correlação muito forte entre essas duas variáveis, com significância estatística.
Isso traz uma nova luz sobre o uso da avaliação de tendões por SSI. A partir deste
momento, torna-se de fundamental importância controlar a ação muscular atuante sobre
o tendão estudado, pois esta pode afetar significativamente o registro elastográfico.
A literatura atual demonstra consistentemente a relação entre o E e o μ, embora não
respeitando a estimativa matemática clássica.[9 ]
[12 ] Recentemente, em 2023, Brandão et al.[25 ] estudaram 5 TPs e 11 tendões aquileus de cadáveres humanos congelados enquanto ainda
frescos, e encontraram forte correlação entre a variação do μ registrado na SSI com
o E calculado pela curva stress x strain no teste biomecânico. No presente trabalho, foi observada maior rigidez do ST do
que do TP, tanto na SSI quanto no teste de tração, com significância estatística.
Isto sugere que a SSI é capaz de aferir as propriedades mecânicas dos tendões de forma
confiável, comparável ao padrão-ouro.
No contexto da utilização do TP e do ST como enxertos para reconstrução ligamentar,
é interessante que esses tendões não só apresentem uma grande RF, como também características
elásticas semelhantes às do ligamento nativo. Estudos prévios[5 ]
[11 ] revelaram correlação estatisticamente significativa entre o μ e a RF em tendões
animais normais. Da mesma forma, foi descrita redução do μ e da RF em tendões doentes
ou danificados quimicamente.[11 ]
[14 ] Portanto, a SSI pode ser particularmente útil na avaliação de tendões e na tomada
de decisão na escolha do enxerto. No entanto, nenhum destes trabalhos realizou tais
testagens em tendões humanos.
Os achados deste estudo são semelhantes aos de Fontenelle et al.[19 ] em 2018, em que o μ do ST foi superior ao do TP em estados relaxado e tensionado,
in vivo . Isto pode sugerir a escolha do ST na reconstrução de uma estrutura mais rígida.
É importante ressaltar algumas limitações do presente ensaio. Apesar de terem sido
obtidos valores consistentes para o E pelo cálculo da inclinação da curva stress x strain ,[19 ] os tendões não foram levados até a falha. Os testes foram interrompidos ao atingir
a saturação da SSI, sendo possível que ainda não tivesse sido atingida a região de
deformação elástica linear do tendão, o que comprometeria a estimativa do E. Além
disso, apesar de terem sido tomados todos os cuidados possíveis, a fixação dos tendões
às garras metálicas da máquina de tração se revelou particularmente difícil quando
não havia um plug ósseo. Isso pode gerar micromovimentos na interface tendão-garra, e uma subestimação
do registro de deformação obtido. Futuros estudos devem considerar isso.
Por último, o enxerto mais adequado depende do comportamento mecânico não só do tendão,
como também dos ligamentos a serem substituídos. As próximas pesquisas nesta área
devem dedicar particular atenção à análise biomecânica desses ligamentos.
Conclusão
O ST foi mais rígido do que o TP, tanto no teste de tração quanto na avaliação pela
SSI em repouso e sob tensão, sendo que o μ revelou relação direta com o stress ao qual o tendão é submetido durante sua avaliação.
