8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA
Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007
PROJECTO E DESENVOLVIMENTO DE UMA ORTÓTESE PARA OS MEMBROS
INFERIORES
Nuno Moreira*, Eurico Seabra*, Paulo Flores*
* Engenharia Biomédica – Biomecânica Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade do Minho
Campus de Azurém, 4800-058 Guimarães, Portugal
*e-mail: nuno_reina@hotmail.com, eseabra@dem.uminho.pt, pflores@dem.uminho.pt
RESUMO
Com o presente trabalho pretende-se apresentar o projecto e o desenvolvimento de uma ortótese para um dos membros inferiores, nomeadamente para a articulação do joelho.
A principal motivação para a realização deste projecto prende-se com uma necessidade específica decorrente de uma solicitação de uma paciente que apresenta limitações na locomoção num dos membros inferiores. Assim, depois da caracterização do seu estado clínico, verificou-se a necessidade de desenvolver uma ortótese específica para o joelho da perna que apresenta uma patologia (atrofia muscular). Esta ortótese, ao contrário da grande maioria das existentes no mercado, é dinâmica, na medida em que permite os movimentos de flexão e extensão do joelho, e ao mesmo tempo, inclui um dispositivo fixador que permite bloquear o sistema aquando da fase de apoio durante a passada/locomoção. Com efeito, durante a fase de apoio, o mecanismo de bloqueio da articulação do joelho está activado, fixando o joelho. Esta fixação ou bloqueio ocorre sob a influência do peso próprio do paciente e apenas aquando da extensão do membro inferior. Durante a fase de balanço, o mecanismo de bloqueio da articulação do joelho está desactivado, permitindo, assim, a flexão livre do joelho. Deste modo, pretende-se proporcionar uma aproximação, tanto quanto possível, da marcha a padrões normais de pacientes com atrofia muscular, e que não conseguem fixar o joelho na fase de apoio, permitindo um andar seguro e eficiente.
Na concepção desta ortótese, são também consideradas outras características relevantes, tais como: as características estéticas, ergonómicas e económicos, fundamentais para tornar o seu fabrico viável.
INTRODUÇÃO
Com a realização do presente trabalho pretende-se projectar e desenvolver uma ortótese para os membros inferiores, nomeadamente para a articulação do joelho. A principal motivação para a realização deste projecto prende-se com uma necessidade específica decorrente de uma solicitação de uma cidadã portuguesa que apresenta limitações na locomoção num dos membros inferiores. Assim, após uma primeira caracterização do estado clínico da cidadã, verificou-se a necessidade de desenvolver uma ortótese específica, isto é, uma ortótese que vá de encontro às suas necessidades específicas [1,2] para o joelho do membro inferior que apresenta uma patologia, isto é, atrofia muscular [3-5]. Acresce que o referido membro inferior é mais curto do que o normal, para além de apresentar uma ligeira deformação e desalinhamento face ao eixo anatómico de referência [3-5].
Na área das ortóteses para os membros inferiores tem havido pouca evolução nos últimos anos, existindo ainda muitas limitações funcionais nas ortóteses disponíveis no mercado [6,7]. Por conseguinte, surgem pedidos de pacientes que apresentam patologias para as quais ainda não existem ajudas técnicas eficazes e adaptadas às suas condições, uma vez que apresentam necessidades especificas e bastante diferenciadas. No mercado das ortóteses para os membros inferiores, as mais comuns são as ortóteses para o período pós-operatório, fracturas e lesões ao nível dos ligamentos [8,9], em que a articulação do joelho é fixa em um determinado ângulo ou completamente livre, permitindo significativas variações de amplitude de movimento. Em resposta à patologia da cidadã têm surgido recentemente ortóteses do tipo KAFO (acrónimo de Knee Ankle Foot Orthosis) as quais são dinâmicas, ou seja, que permitem uma fixação deste durante a fase de apoio e uma flexão do joelho durante a fase de balanço. Esta activação pode ser mecânica [7,10-15] ou electrónica [16,17], existindo vários estudos e projectos. Contudo, actualmente, muitas destas ortóteses não estão ainda disponíveis em todos os países, nem abrangem todo o tipo de pacientes, sendo, por conseguinte, oportuno e pertinente o desenvolvimento de um novo conceito de ortótese. Deve ainda referir-se que as diversas ortóteses existentes no mercado mundial apresentam algumas limitações, tanto ao nível da durabilidade como da estética e custos envolvidos. Assim, neste projecto, pretende-se melhorar algumas destas características, proporcionando uma aproximação à marcha normal a pacientes com atrofia muscular e que não conseguem fixar o joelho na fase de apoio, permitindo um andar seguro e eficiente.
O objectivo principal deste trabalho passa, pois, por desenvolver um novo conceito de ortótese para a articulação do joelho, tendo em consideração as características estéticas, ergonómicas e económicos, fundamentais para tornar o seu fabrico viável.
ANÁLISE DESCRITIVA DA MARCHA
A marcha humana tem como principal característica a sua individualização, ou seja, cada pessoa tem o seu padrão típico. A marcha, ou locomoção humana, pode ser descrita como uma translação progressiva do corpo como um todo, produzida por movimentos coordenados dos segmentos corporais. A marcha normal é rítmica e caracterizada por movimentos alternados de propulsão e retropulsão das extremidades inferiores [18].
O ciclo da marcha inclui actividades que acontecem desde o ponto inicial de contacto de uma das extremidades inferiores até ao ponto em que esta mesma extremidade contacta o solo novamente. Durante um ciclo da marcha, cada extremidade passa por duas fases: uma fase de apoio e uma fase de balanço [18-20].
A fase de apoio começa no momento em que uma das extremidades contacta o solo (batida do calcanhar) e continua enquanto alguma porção do pé está em contacto com o solo (até os dedos dos pés deixarem o solo). Durante a fase de apoio, existe sempre alguma porção do pé em contacto com o solo. A fase de apoio ocupa aproximadamente 60% do ciclo da marcha durante a marcha normal (ver figura 1). As principais etapas desta fase são:
1. Batida do calcanhar ou contacto inicial, que se refere ao momento em que o calcanhar da extremidade de referência toca no solo;
2. Pé plano ou resposta com carga que ocorre imediatamente após a batida do calcanhar, sendo o ponto em que o pé se encontra totalmente em contacto com o solo;
3. Apoio médio, que é o ponto em que o peso do corpo está colocado directamente em cima da extremidade inferior de suporte;
4. Calcanhar fora ou final do apoio médio, período no qual o calcanhar da extremidade de referência deixa o solo; 5. Pré-oscilação ou dedos dos pés fora do solo, que é o ponto em que somente o dedo grande do pé da extremidade de referência está em contacto com o solo. [7,11,18,21]
Fig. 1: A marcha humana: Fase de apoio (até aos 60%) e fase de balanço (dos 60% aos 100%). {Adaptado de [22]}
A fase de balanço ou oscilação começa logo que os dedos dos pés da extremidade de referência deixa o solo e termina no momento em que há contacto do calcanhar ou contacto da mesma extremidade. Quando a extremidade de referência está na fase de balanço, ela não mantém contacto com o solo. A fase de balanço ocupa cerca de 40% do ciclo da marcha (ver figura 1). As principais etapas na fase de balanço são:
1. Aceleração ou oscilação inicial, que começa logo que os dedos dos pés da extremidade de referência deixam o solo e continua até a metade da oscilação, ponto em que a extremidade em oscilação se encontra na direcção do corpo e ocorre a flexão máxima do joelho da mesma;
2. Metade da oscilação, que começa quando a extremidade de referência passa pelo plano do corpo, englobando o período imediatamente após a flexão máxima do joelho até que a tíbia esteja numa posição vertical;
3. Desaceleração, que começa quando a tíbia está em posição vertical até ao ponto antecedente ao contacto inicial. [18-21]
CARACTERIZAÇÃO DO ESTADO-DA-ARTE
Aos pacientes com atrofia muscular ao nível do quadríceps [5] é, geralmente, prescrita uma ortótese do tipo KAFO (Knee Ankle Foot Orthosis) que bloqueia o joelho em total e constante extensão. Os utilizadores de ortóteses do tipo KAFO são condicionados a adoptar padrões de andamento anormais para compensar os constrangimentos aos movimentos do joelho impostos pela ortótese. Estes movimentos compensatórios podem incluir: a elevação da pélvis no lado do membro inferior que está em balanço de modo a permitir que esta deixe de estar em contacto com o solo, balançando posteriormente o membro inferior para a frente; a flexão plantar da anca, provocando a arqueação do pé; ou um balanço lateral exagerado do tronco [16]. Estes modelos de compensação anormais podem provocar lesões do tecido mole ou disfunções na anca e na região lombar, causando dor e redução da amplitude de movimento. A marcha com um joelho imobilizado reduz também cerca de 24% a eficiência do andar, levando posteriormente à fadiga prematura, que limita a distância que o paciente consegue andar (ver figura 2).
Fig. 2: Gráfico comparativo da flexão do joelho durante a marcha em pessoas normais sem ortótese, em pessoas que utilizam uma ortótese do tipo KAFO que não bloqueia o joelho e em pessoas que utilizam uma ortótese do tipo KAFO que bloqueia completamente o joelho. {Adaptado de [23]}
Estudos demonstram que o aumento de energia necessário para o uso das ortóteses KAFO é uma das principais razões para que as suas elevadas taxas de rejeição, as quais variaem entre 60% e 80%. Por outro lado, mais de 40% dos utilizadores não estam satisfeitos com este tipo de ortóteses [16,24]. As ortóteses KAFO convencionais oferecem geralmente uma atracção estética relativamente baixa, visto que limitam a mobilidade do paciente e forçam o utilizador a caminhar de um modo pouco natural. A locomoção num pavimento irregular, neve, escadas, superfícies inclinadas e obstáculos é complicada pela incapacidade do paciente com a KAFO de flectir o joelho.
Recentemente, surgiu no mercado um novo tipo de ortóteses KAFO, conhecidas por ortóteses do tipo SCKAFO (acrónimo de Stance-Control Knee-Ankle-Foot Orthosis). [7,10-14,16,17] As ortóteses SCKAFO são projectadas para permitir um movimento livre do joelho durante a fase de balanço e fixar o joelho durante a fase de apoio. As principais vantagens deste tipo de ortóteses são: melhoria da simetria do andamento, melhoria da cinemática do andamento, aumento da mobilidade, menos movimentos compensatórios e menor desgaste energético aquando do andamento. Muitos dos pacientes que utilizam as ortóteses KAFO e que apresentam uma força muscular reduzida no membro inferior podem beneficiar de uma ortótese dinâmica, incluindo neste grupo pacientes mais idosos e pacientes com esclerose múltipla, distrofia muscular, paralisia infantil, lesões incompletas na espinha, paralisia de um dos membros inferiores, lesões, deficiências congénitas ou atrofia no quadríceps. Nas últimas décadas têm sido efectuadas inúmeras tentativas para projectar uma SCKAFO que permita a flexão durante a fase de balanço, enquanto mantém o suporte do membro inferior na fase de apoio [7,25,26]. Estes projectos integram mecanismos hidráulicos, de atrito, elásticos ou de estimulação eléctrica, assim como o uso de embraiagens unidireccionais convencionais e travões na articulação do joelho da ortótese. Contudo, a maioria destes projectos não tiveram como consequência a concretização de um modelo funcional, clínica e comercialmente válido, devido a mau funcionamento, à necessidade de movimentos específicos do joelho e da anca para fixar o joelho, assim como devido à sua dimensão, peso e custo excessivos. No entanto, quatro ortóteses SCKAFO emergiram no mercado nos últimos anos: a Stance Control Orthotic Knee Joint da Horton Technology Inc. [10,27], os modelos 9001 e 9003 E-Knee da Becker Orthopedic [17], a Swing Phase Lock da Fillauer e da Basko [14,15] e a UTX da Becker Orthopedic [13], também conhecida por FreeWalk, da Otto Bock HealthCare [7,12,24,25]
Depois de realizada uma pequena análise a estas novas ortóteses, pode concluir-se que há ainda grandes deficiências no domínio das ortóteses, nomeadamente no que respeita à melhoria de aspectos importantes para o sucesso deste tipo de ajudas técnicas. Na grande maioria, o seu custo é extremamente elevado, o que não permite alargar este tipo de tecnologia a toda a população. Não existem ainda ortóteses SCKAFO que sejam ajustáveis ao crescimento da pessoa e a maior parte apresenta um peso elevado e um nível estético muito pouco agradável. Algumas necessitam de um grande ajustamento de calçado e roupa e outras apresentam limitações significativas quanto ao peso da pessoa, ao grau de fraqueza muscular e à capacidade de extensão completa do joelho.
DEFINIÇÕES DAS ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS DE PROJECTO
Nesta secção são apresentadas e discutidas as principais especificações e requisitos técnicos inerentes ao desenvolvimento de um novo conceito de ortótese. Estas especificações podem ser agrupadas em três categorias, a saber: (i) funções básicas; (ii) requisitos técnicos e (iii) outras características importantes.
Funções básicas
a) Inibir a flexão do joelho quando sob influência do peso próprio do paciente;
b) Permitir um movimento livre do joelho do paciente quando não está sob influência do seu peso; c) Permitir a extensão do joelho em qualquer instante.
Requisitos funcionais
a) Permitir a flexão do joelho até 120º de modo a que o paciente se possa sentar confortavelmente numa cadeira dobrando os membros inferiores;
b) Tempo de reacção curto após batida de calcanhar de modo a garantir a segurança do paciente;
c) Durante a marcha, na fase de apoio, manter um ângulo de 12º (que parece o ideal depois de uma análise aos dados obtidos por Winter et al [28]), de modo a diminuir os movimentos compensatórios;
d) Sistema de controlo automático (flexão do joelho na fase de balanço e fixação do joelho na fase de apoio) e modo manual (um modo para joelho livre e outro para joelho fixo).
Outras características importantes
a) Fiável; b) Leve;
c) Confortável e discreta; d) Silenciosa;
e) Higiene/limpeza;
f) Durabilidade e facilidade de manutenção; g) Ajustável;
h) Baixo custo; i) Fabrico fácil.
REQUISITOS ESTRUTURAIS E DE SEGURANÇA
Para o projecto da ortótese, devem ser considerados alguns requisitos estruturais e de segurança de modo a proporcionar um andar seguro e o mais aproximado do padrão de marcha normal. Para o dimensionamento da ortótese considerou-se o peso máximo do paciente de 120Kg e um tempo de vida do dispositivo de um ano. Segundo Winter et al, o momento máximo na articulação do joelho é de 0,615 N.m/Kg durante a marcha e ocorre aos 14% do tempo da marcha [28]. Como o ideal seria que a ortótese conseguisse fixar o joelho em vários ângulos aquando da fase de apoio e desactivar o mecanismo de bloqueio do joelho na fase de balanço, pensou-se que seria relevante ter em conta também o bloqueio do joelho numa situação de subida de escadas. Segundo Protopapadaki et al., o joelho necessita de estar 50º flectido no início da subida das escadas e o momento máximo no joelho na subida das escadas é de 0,58 N.m/Kg e na descida é de 0,46 N.m/Kg [29]. Outra característica importante da ortótese é que bloqueie durante a fase de apoio apenas a flexão do joelho, ou seja, no caso do paciente não conseguir estender correctamente o joelho durante uma passada (considerou-se 12º de flexão do joelho), o sistema não falhe e consiga bloquear num segundo ângulo com maior flexão do joelho (20º) e depois consiga estender novamente o joelho mas não o flectir. Este tipo de bloqueio pode também melhorar a qualidade de locomoção do paciente quando este sobe uma rampa ou superfície inclinada, em que o ângulo de flexão do joelho é superior ao da marcha em plano horizontal.
De modo a conseguir algumas das características supracitadas, o mecanismo de actuação/fixação do joelho pode ser relacionado com a batida do calcanhar no solo. Assim, mal o calcanhar toque no solo (etapa 1 da fase de apoio), o mecanismo deve actuar no joelho e efectuar a seu fixação. O ângulo de flexão do joelho deve ser mantido até à etapa 4 da fase de apoio, momento em que acaba o ponto médio e o calcanhar da extremidade de referência deixa o solo. Isto porque é neste momento que o outro membro inferior toca no solo e se inicia a fase de duplo apoio, começando a transferir-se o peso do corpo para o outro membro. Finalmente, o material escolhido para a construção da ortótese deve permitir uma baixa deformação para ajudar a absorver energia de impacto e aumentar a segurança e conforto.
ANTE-PROJECTO – ESTUDO DE POSSÍVEIS SOLUÇÕES
Analisando as características da marcha e relacionando-as com as ortóteses existentes no mercado, propõem-se alguns mecanismos de bloqueio que possam ser integrados em ortóteses do tipo KAFO existentes ou em ortóteses fabricadas de raiz.
Sistema de bloqueio com um pino empurradopor um veio desde a palmilha
Neste sistema, após a acção do calcanhar, um veio sobe ao longo da parte inferior da ortótese e faz com que o pino entre na ranhura da parte superior da ortótese, levando ao bloqueio da articulação do joelho.
Fig. 3: Representação de um mecanismo de bloqueio por pino.
Este mecanismo apresenta boas condições de estabilidade e segurança. Porém, com o uso do pino apenas permite bloquear num determinado ângulo. Seleccionando diferentes materiais para o pino e para o orifício, consegue-se promover o desgaste apenas no pino, o que seria ideal para a manutenção da ortótese. Por outro lado, é difícil manter um curso constante e sem desvios do pino, podendo o sistema de bloqueio não funcionar ou, mesmo levar ao encravamento do pino encravar. Existem também algumas dificuldades em adaptar este sistema à forma anatómica do membro inferior devido ao veio interior ter de manter a sua forma rectilínea para diminuir o atrito entre este e as paredes, e a estrutura tem de ser concebida desde o início para cada pessoa, visto que não pode ser adaptada a estruturas já existentes. Um modo de ultrapassar este problema seria através da utilização de um cabo que substituísse o veio interno ou um sistema electrónico constituído por palmilhas com sensores de pressão que enviam um sinal eléctrico ao sistema de actuação que fizesse actuar o pino.
Sistema de bloqueio em vários ângulos por travões de disco
Neste mecanismo de bloqueio que, tal como o sistema anterior, pode ser actuado mecânica ou electronicamente, sendo utilizado um travão de disco cónico que faz com que o sistema bloqueie em qualquer ângulo de flexão do joelho.
O bloqueio em vários ângulos pode ter vantagens e desvantagens para o utilizador sendo que, com um elevado ângulo de flexão do joelho, ao fixar este, não permite um andar/marcha normal, tendo de existir uma compensação por parte do resto do corpo. Por outro lado, o bloqueio em vários ângulos garante uma maior segurança e confiança ao utilizador do que a ortótese com apenas um ângulo de bloqueio. Existem também grandes dificuldades em projectar um travão de pequenas dimensões, que não pode ser arrefecido nem pode apresentar grandes alterações das suas propriedades ao longo do tempo nem em função de variações da temperatura exterior. O curso necessário para activar o travão, assim como as condições de destravagem são também difíceis de determinar.
Mecanismo de bloqueio em vários ângulos
Este mecanismo, tal como o próprio nome indica, permite o bloqueio da articulação em vários ângulos. Pode ser accionado mecânica como electronicamente e pode ser integrado em ortóteses já existentes.
Fig. 5: Representação de um mecanismo de bloqueio em vários ângulos.
Tal como no sistema anterior, o bloqueio em vários ângulos pode trazer algumas vantagens e desvantagens para o utilizador visto que, com um elevado ângulo de flexão do joelho, ao fixar este, pode levar a uma marcha anormal e a uma compensação por parte do resto do corpo, mas também garante uma maior segurança e confiança ao utilizador porque a probabilidade do bloqueio da articulação do joelho não acontecer é mais reduzido. Um dos principais problemas deste mecanismo de bloqueio é a sua elevada fragilidade para dimensões reduzidas e o desgaste provocado pela solicitação contínua do sistema. Para resolver este problema, deve-se escolher um material com elevada resistência a tensões de corte e de esmagamento e optimizar as dimensões do sistema, tendo sempre em conta o conforto do paciente e o nível estético da ortótese.
COMENTÁRIOS FINAIS
No projecto no qual este artigo se encontra inserido, pretende-se projectar e produzir uma ortótese do tipo SCKAFO que consiga conciliar os conceitos mencionados ao longo deste trabalho, proporcionando assim uma aproximação à marcha normal a pacientes com atrofia muscular, que não conseguem fixar o joelho na fase de apoio. Todos os requisitos funcionais, estruturais e estéticos deveram ser tidos em considerações, de modo a obter uma boas solução final e corresponder adequadamente às necessidades da cidadã que motivou este projecto. Deve também ser realizada uma análise de valor aos conceitos supra-mencionados de modo a escolher o mecanismo mais vantajoso e com maior exequibilidade para ser produzido. Posteriormente ao desenvolvimento do projecto, será construído um protótipo funcional e serão efectuados testes em pacientes voluntários com a patologia em causa de modo a validar a solução adoptada.
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