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Development of a model for evaluating knee extensor muscle strength using ultrasound-derived indicators and physical characteristics: An exploratory study

Este estudo exploratório desenvolveu e validou internamente modelos de regressão que estimam de forma não invasiva a força de extensão isométrica do joelho em homens adultos saudáveis, combinando índices musculares derivados de ultrassonografia (espessura do músculo reto femoral e ecogenicidade corrigida) com características físicas, embora os modelos tenham demonstrado apenas um poder explicativo modesto.

Autores originais: Kento Yoshida, Hiroichi Miaki, Sachiko Madokoro, Masami Yokogawa

Publicado 2026-09-14

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CC BY 4.0

Autores originais: Kento Yoshida, Hiroichi Miaki, Sachiko Madokoro, Masami Yokogawa

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

A força dos músculos em nossas pernas é um motor silencioso, mas vital para a vida cotidiana. Ela nos permite levantar de uma cadeira, subir um lance de escadas ou simplesmente caminhar com confiança. Por décadas, médicos e terapeutas mediram essa força pedindo que uma pessoa empurrasse o mais forte que pudesse contra um dispositivo ou uma mão. Esse método funciona bem quando uma pessoa está alerta, cooperativa e capaz de dar seu esforço total. No entanto, torna-se difícil ou impossível de usar com idosos que possam estar confusos, pacientes que estejam fracos demais para seguir instruções complexas ou qualquer pessoa que não possa exercer força máxima com segurança. Isso cria uma lacuna no cuidado: a necessidade de uma maneira de saber o quão fortes são as pernas de uma pessoa sem pedir que ela empurre nada.

Cientistas há muito suspeitam que a aparência e a sensação de um músculo enquanto ele está em repouso podem revelar o quão forte ele é. O uso de ondas sonoras para criar imagens do corpo, conhecido como ultrassom, oferece uma janela segura e não invasiva para esses músculos. Ao contrário dos raios X ou tomografias computadorizadas, o ultrassom não utiliza radiação, tornando-o seguro para uso repetido. Avanços recentes permitem que essas máquinas meçam não apenas o tamanho de um músculo, mas também sua textura e o quão rígido ele parece ser. A ideia é que, se um músculo estiver cheio de tecido saudável, ele parecerá e parecerá diferente de um que foi substituído por gordura ou tecido cicatricial. Se os pesquisadores conseguirem encontrar um padrão confiável que ligue essas medições em repouso à força real, eles poderão prever a mobilidade de uma pessoa sem nunca pedir que ela levante um peso.

Uma equipe de pesquisadores no Japão partiu para construir um modelo matemático para testar essa ideia. Eles focaram no quadríceps, o grande grupo de músculos na frente da coxa que estende o joelho. Eles recrutaram cinquenta e dois homens saudáveis, variando em idade desde seus vinte anos até seus sessenta anos tardios. O objetivo era ver se eles poderiam prever quanta força esses homens poderiam gerar com suas pernas simplesmente escaneando seus músculos enquanto deitavam relaxados de costas. Os pesquisadores usaram um aparelho de ultrassom padrão para tirar fotos de dois músculos específicos dentro do quadríceps: o reto femoral, que desce pelo centro da coxa, e o vasto intermedius, que fica situado mais profundamente abaixo dele. Eles tiraram essas imagens em dois pontos diferentes ao longo da coxa, a um quarto de distância do quadril e na metade do caminho.

Para cada exame, a equipe mediu três coisas. Primeiro, mediram a espessura do músculo, que serve como um indicador de quanta massa muscular uma pessoa possui. Segundo, mediram a intensidade do eco, um valor que indica quanto de gordura ou tecido cicatricial infiltrou o músculo; uma imagem mais brilhante geralmente significa mais gordura e menos músculo saudável. Terceiro, tentaram medir a rigidez do músculo, ou o quão resistente ele era a ser deformado pelas ondas sonoras. Após coletar essas imagens, os pesquisadores pediram a cada participante que se sentasse em uma cadeira e empurrasse a perna contra um dispositivo manual com toda a sua força. Isso forneceu a verdadeira medida de sua força de extensão do joelho, que serviu como o parâmetro para suas previsões.

Os pesquisadores então inseriram todos esses dados em um programa de computador para encontrar a melhor combinação de fatores que poderia prever os escores de força. Eles tiveram que ser cuidadosos porque algumas das medições que realizaram estavam intimamente relacionadas entre si, o que pode confundir a matemática. Eles também tiveram que lidar com um grande obstáculo: a rigidez do músculo profundo vasto intermedius era difícil demais para ser medida de forma consistente; as leituras variavam demais de um exame para outro para serem confiáveis, então a equipe teve que descartar esse ponto de dados específico. Isso os deixou com a espessura muscular e a intensidade do eco como suas principais ferramentas, juntamente com detalhes físicos básicos como a idade, altura e peso corporal do participante.

O resultado foi a criação de quatro modelos de previsão diferentes, cada um baseado em medições feitas em diferentes pontos da coxa. Todos os quatro modelos foram estatisticamente válidos, o que significa que não foram apenas palpites aleatórios. Eles descobriram consistentemente que a idade, o peso corporal e a espessura do músculo reto femoral central eram as pistas mais fortes para a força das pernas. A intensidade do eco, que reflete a qualidade muscular, também desempenhou um papel, embora sua influência tenha sido menos consistente entre os diferentes modelos. Os modelos mostraram que, à medida que as pessoas envelhecem, sua força tende a cair, e que indivíduos mais pesados geralmente têm pernas mais fortes, provavelmente por possuírem mais massa muscular. Curiosamente, os modelos sugeriram que indivíduos mais baixos podem ter uma vantagem mecânica, gerando mais torque para a mesma quantidade de esforço muscular.

Apesar de encontrarem uma fórmula funcional, os pesquisadores foram honestos sobre os limites de sua descoberta. Os modelos que construíram puderam explicar apenas cerca de 22 a 24 por cento das diferenças de força entre os homens que estudaram. Isso significa que, embora as medições de ultrassom e os traços físicos tenham fornecido informações úteis, eles estavam longe de ser uma imagem completa. Muito do que determina a força muscular permaneceu inexplicado por esses exames, provavelmente devido a fatores como sinais nervosos ou a coordenação específica das fibras musculares que uma simples imagem não consegue capturar. A equipe também observou que os modelos eram específicos para o equipamento que utilizaram; mudar a máquina de ultrassom ou as configurações poderia alterar os resultados, tornando difícil aplicar essas fórmulas exatas em uma clínica diferente sem recalibração.

O estudo concluiu que, embora seja possível estimar a força do joelho usando exames de ultrassom em repouso e medições corporais básicas, o método ainda não é um substituto perfeito para o teste direto. Os modelos construídos eram estáveis e confiáveis dentro do grupo estudado, mas sua capacidade de prever a força era modesta. Os pesquisadores enfatizaram que trabalhos futuros precisam incluir mulheres, já que o estudo atual envolveu apenas homens, e devem se expandir para incluir os outros músculos do grupo do quadríceps que não foram escaneados. Eles também pediram uma melhor padronização das configurações de ultrassom para que essas ferramentas possam ser usadas de forma mais ampla. Por enquanto, este trabalho oferece um passo promissor em direção a um futuro onde um médico possa obter um instantâneo rápido e não invasivo da mobilidade de um paciente, mesmo que esse paciente não consiga empurrar de volta com força total.

Resumo Técnico: Desenvolvimento de um Modelo para Avaliação da Força do Extensor do Joelho Utilizando Indicadores Derivados de Ultrassonografia e Características Físicas

Problema
A avaliação convencional da força muscular dos membros inferiores, particularmente do quadríceps femoral, baseia-se no esforço voluntário máximo (ex.: teste de força muscular manual ou dinamometria manual). Esta abordagem é limitada em populações com comprometimento cognitivo, idosos ou pacientes incapazes de gerar contrações voluntárias máximas. Modalidades de imagem como TC e RM podem avaliar a morfologia muscular, mas são limitadas pela exposição à radiação, custo ou contraindicações (ex.: implantes metálicos). A ultrassonografia oferece uma alternativa segura e não invasiva, capaz de avaliar as características musculares em estado de repouso. No entanto, pesquisas anteriores focaram amplamente em relações de teste de hipóteses entre parâmetros individuais de ultrassom (como intensidade de eco ou espessura muscular) e a força, em vez de desenvolver modelos preditivos multivariáveis robustos que integrem índices derivados de ultrassom com características físicas. Além disso, a confiabilidade de certas métricas derivadas de ultrassom, como a rigidez muscular em músculos específicos, e a robustez dos modelos de predição resultantes por meio de validação interna, requerem investigação adicional.

Metodologia
Este estudo exploratório incluiu 52 homens adultos saudáveis (idade média 44,3 ± 15,1 anos). O protocolo do estudo envolveu três categorias primárias de medição:

Imagem por Ultrassom: B-mode e elastografia por onda de cisalhamento foram realizados no reto femoral (RF) e vasto intermédio (VI) em dois marcos anatômicos: 25% e 50% do comprimento da coxa (medido do trocanter maior ao epicôndilo lateral).
- Intensidade de Eco (IE): Medida como valores médios de escala de cinza dentro de regiões de interesse (ROI) poligonais. Para compensar a atenuação pela profundidade, os valores de IE foram corrigidos utilizando a espessura da gordura subcutânea (FT) através da fórmula: IE Corrigida = IE + (40,5278 × FT).
- Espessura Muscular (EM): Definida como a distância entre as fronteiras das fáscias (RF: gordura subcutânea à fáscia profunda; VI: fáscia superficial à superfície do fêmur).
- Rigidez Muscular: Medida via elastografia por onda de cisalhamento.
Características Físicas: Altura, peso corporal e idade foram registrados.
Força Muscular: A força de extensão isométrica do joelho foi medida utilizando um dinamômetro manual durante a contração voluntária máxima a 90° de flexão do joelho.

Análise Estatística
O estudo seguiu um processo de modelagem de três etapas:

Etapa 1: A multicolinearidade foi avaliada usando Fatores de Inflação de Variância (VIF) e coeficientes de correlação. Variáveis com VIF ≥ 5 ou correlação ≥ 0,7 foram sinalizadas.
Etapa 2: Análises de regressão multivariável com eliminação retroativa foram realizadas separadamente para os locais de medição de 25% e 50%. Os modelos foram comparados com base nos valores de $R^2$ ajustado.
Etapa 3: A validação interna foi conduzida utilizando 2.000 reamostragens de bootstrap para avaliar a estabilidade do modelo, calculando o viés, o erro padrão, os intervalos de confiança de 95% corrigidos pelo viés e acelerados (BCa) e a distância de Cook.

Principais Resultados

Confiabilidade: A confiabilidade intra-examinador (ICC) foi alta para a intensidade de eco e espessura muscular do RF e VI. No entanto, a rigidez muscular do VI demonstrou baixa confiabilidade (ICC = 0,24) e foi excluída das análises subsequentes.
Desenvolvimento do Modelo: Quatro modelos de regressão estatisticamente significativos foram desenvolvidos (com $R^2$ $R^{2}$ ajustado variando de 0,219 a 0,244).
- Preditores: Os modelos incluíram consistentemente características físicas (idade, altura, peso corporal) e índices derivados de ultrassom.
- Espessura Muscular: A espessura muscular (EM) do RF foi mantida como um preditor significativo em todos os quatro modelos.
- Intensidade de Eco: A IE corrigida tanto para o RF quanto para o VI foi selecionada como preditor, embora sua significância estatística tenha variado entre os modelos e as validações de bootstrap.
- Características Físicas: Idade e peso corporal foram significativos nos modelos derivados da posição de 25%. A altura foi significativa nos modelos de 25%, mas não nos de 50%.
Validação: Todos os quatro modelos demonstraram estabilidade estatística. A razão entre o viés absoluto e o coeficiente absoluto ( $|Viés|/|B|$ ) foi inferior a 10% para todas as variáveis. Os valores da distância de Cook (0,000–0,198) indicaram a ausência de outliers altamente influentes, e as estatísticas de Durbin–Watson (2,06–2,10) confirmaram a ausência de autocorrelação residual.

Principais Contribuições e Alegações
Os autores afirmam que este estudo é o primeiro a desenvolver e validar internamente modelos de regressão que integram múltiplos indicadores derivados de ultrassom de músculos em repouso com características físicas para estimar a força de extensão isométrica do joelho.

Estimativa Não Invasiva: O estudo demonstra que uma combinação de espessura muscular do RF, intensidade de eco corrigida e métricas físicas básicas pode fornecer um método não invasivo para estimar a força muscular sem a necessidade de esforço voluntário máximo.
Estabilidade do Modelo: Através da validação interna por bootstrap, os autores estabelecem que os modelos desenvolvidos são estatisticamente estáveis, apesar do poder explicativo modesto.
Seleção de Variáveis: O estudo identifica a espessura muscular do RF como o preditor de ultrassom mais consistente, enquanto observa que a espessura e a rigidez do VI não foram retidas ou confiáveis, respectivamente. Também destaca o papel das características físicas (idade, peso, altura) no refinamento dessas predições.

Limitações e Alegações Modestas
Os autores declaram explicitamente que o poder explicativo dos modelos é modesto, com valores de $R^2$ ajustado entre 0,219 e 0,244, indicando que uma parte significativa da variância da força muscular permanece não explicada por essas variáveis.

Dependência do Dispositivo: Os autores alertam que os resultados podem variar com diferentes dispositivos de ultrassom devido a diferenças na qualidade da imagem e configurações, limitando a generalização imediata sem padronização.
Especificidade da População: O estudo foi limitado a homens saudáveis; os modelos não foram validados para mulheres ou populações clínicas.
Escopo Muscular: Os modelos avaliaram apenas o RF e o VI, excluindo o vasto medial e o vasto lateral, que são componentes críticos do quadríceps.
Imagem de Músculos Profundos: Os autores observam que a intensidade de eco em músculos profundos (como o VI) pode sofrる atenuação, exigindo interpretação cautelosa.

Em conclusão, o artigo apresenta uma estrutura estável e não invasiva para estimar a força de extensão do joelho, mas enfatiza que os modelos são exploratórios e requerem maior desenvolvimento para incluir o complexo completo do quadríceps, diversas populações e protocolos de imagem padronizados antes da aplicação clínica.

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