FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA CURSO TÉCNICO DE MECÂNICA

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GABRIEL FRANCISCO GHENO CAZAKEVICIUS SÍRIO ROBERTO DE PAULA JÚNIOR

YURI KIEFER ALVES

PROFUT

Prótese Ortopédica para Prática de Futsal

Orientador: Prof.: Fábio Ricardo Oliveira de Souza

Novo Hamburgo 2016

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GABRIEL FRANCISCO GHENO CAZAKEVICIUS SÍRIO ROBERTO DE PAULA JÚNIOR

PROFUT

Prótese Ortopédica para Prática de Futsal

Projeto de integração disciplinar apresentado ao curso Técnico de Mecânica da Fundação Liberato Salzano Vieira da Cunha para aprovação nas disciplinas do curso. Orientador: Prof.: Fábio Ricardo Oliveira de Souza

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FOLHA DE ASSINATURAS

GABRIEL FRANCISCO GHENO CAZAKEVICIUS SIRIO ROBERTO DE PAULA JÚNIOR

PROFUT

Prótese Ortopédica para Prática de Futsal

FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA CURSO TÉCNICO DE MECÂNICA

Novo Hamburgo, Setembro de 2016

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Sírio Roberto de Paula Júnior

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Gabriel Francisco Gheno Cazakevicius

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Yuri Kiefer Alves

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Fábio Ricardo Oliveira de Souza Professor Orientador

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Dedicamos este trabalho a nossa família pelo apoio em todo o decorrer do projeto, ao professor orientador Fábio Ricardo pelo auxílio na pesquisa e pela confiança depositada em nó

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RESUMO

Nós começamos nosso projeto com uma ideia proposta pelo orientador do projeto, professor Fábio Ricardo Oliveira de Souza. A ideia sugerida por ele foi o dimensionamento de uma prótese ortopédica direcionada para a prática de futsal. Começamos o projeto com a ideia de uma prótese que acoplasse toda a perna, mas delimitamos para a parte transtibial da perna apenas, pois na pré-apresentação nosso projeto foi criticado e dito como inviável pela banca.

Seguimos com a elaboração da prótese transtibial com recursos metodológicos apropriados, como por exemplo, pesquisas sobre as forças aplicadas para a realização dos movimentos em um jogo de futsal; também visitamos o iBTeC (instituto brasileiro de tecnologia do couro, calçados e artefatos); e dimensionamos a prótese no AutoDesk Inventor.

Após a análise das forças que seriam necessárias para o dimensionamento da prótese, buscamos a partir de trabalhos científicos os valores destas e em qual local do pé seriam aplicadas. Após o grupo analisar os picos de pressão nas áreas-chave do pé, iniciamos o processo de dimensionamento da prótese no Inventor, seguindo assim até a conclusão do projeto.

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ... 7

2 REFERENCIAL TEÓRICO ... 8

2.1 Revestimento da prótese ... 8

2.1.1 Ensaio Izod ... 8

2.1.2 Polietileno Linear de Baixa Densidade (PEBDL) ... 9

2.1.3 Poliuretano termoplástico ... 9

2.1.4 Polipropileno moldado ... 10

2.2 Pressão plantar ... 11

2.2.1 Pico de pressão plantar para o movimento de corrida ... 11

2.2.2 Pico de pressão plantar para o movimento de passe ... 12

2.2.3 Plataforma de força ... 14

3 METODOLOGIA ... 15

4 ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 22

5 CONCLUSÃO ... 23

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1 INTRODUÇÃO

O presente projeto visa a criação e o dimensionamento de uma prótese ortopédica voltada específica à prática do futsal, tendo a funcionalidade necessária e formato de um pé biológico humano, para amputados e/ou deficientes que queiram praticar esse esporte de forma segura, funcional e profissional.

Nos dias atuais, onde o número de amputações dos membros inferiores cresce devido as doenças infecciosas e outras como diabetes e gangrena e aos acidentes traumáticos como de trânsito e armas de fogo, se faz necessário o uso de próteses ortopédicas. De acordo com o Ministério da Saúde, 2013, ocorreram 49,165 mil amputações pelo SUS no Brasil em 2011 e dessas, 94% foram de membros inferiores, sendo 33,1% de causas externas como os acidentes já citados.

Considerando que esses acidentes ocorrem em maior número com pessoas jovens e que após a amputação perdem a liberdade de praticar esportes, torna-se necessário a criação de uma prótese que lhes ofereça a oportunidade, juntamente da segurança, conforto e funcionalidade para a pratica do futsal. Ao mesmo tempo que esteja dentro das normas e regras do esporte, possibilitando o uso da mesma em competições oficiais. Abrindo também ao amputado uma forma de participar de atividades que o incluem dentro da sociedade novamente e o ajudam a se recuperar psicologicamente, pois, de acordo com Padovani et al. (2015, p. 110), existe “[..] um aumento nos níveis de ansiedade, especialmente nos jovens (18 a 38 anos) e depressão nos idosos (60 a 80 anos)”.

O problema que permeia o desenvolvimento do projeto é se é possível a criação e o dimensionamento de uma prótese ortopédica que ofereça todas as funcionalidades necessárias para a prática do jogo, assim como a segurança e o conforto essencial.

Dentro de estudos realizados, foi dimensionado o formato e o material de acordo com os esforços aplicados no pé ao correr, andar, pular e chutar, oferecendo conforto e segurança ao usuário e os demais jogadores, viabilizando a participação

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do mesmo em competições oficiais.

2 REFERENCIAL TEÓRICO

2.1 Revestimento da prótese

A prótese deve ser revestida com algum polímero de boas propriedades mecânicas, adequadas para uma situação prática do esporte futsal, onde deve-se ter cuidado, tanto para não machucar os outros jogadores, como para absorver grandes quantidades de energia aplicada nos movimentos desenvolvidos num jogo. Neste caso, o melhor material a ser utilizado é o que possui uma resistência maior ao impacto. Para isso foram analisados polímeros submetidos ao ensaio Izod. Após consultar profissionais com vasto conhecimento sobre polímeros, chegou-se a conclusão de que é uma ótima alternativa a análise de três materiais por obter as propriedades necessárias para o cumprimento das ações, muito utilizados atualmente na indústria mundial. São eles: polipropileno, poliuretano e polietileno.

2.1.1 Ensaio Izod

O funcionamento do ensaio é possível a partir de um pêndulo de impacto e de um corpo de prova. Existe outro ensaio de impacto também muito utilizado, chamado Charpy, a diferença é que a posição e a fixação do teste são diferentes. No Izod, o corpo de prova é fixado na posição vertical por um par de garras, já no charpy, é fixado na base da máquina, na posição horizontal.

No momento que o pêndulo da máquina de teste Izod é liberado, ele oscila de forma descendente para atingir o corpo de prova na posição vertical do braço. O pêndulo quebra o corpo de prova e continua seu movimento, porém com uma redução no momento, devido à energia absorvida pelo CP no instante do impacto. A energia gasta na fratura pode ser observada a partir de uma escala graduada. Para a obtenção de um bom resultado é preciso que o teste seja realizado pelo menos três vezes.

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Os corpos de prova devem ter comprimento de 75 mm, com um entalhe na forma de v, executado a 28 mm da extremidade, também devem ter uma seção quadrada de 10mm.

As principais normas para esse teste são: ABNT: NBR8425 MB1694 para plásticos rígidos; ASTM: D256-05a para plásticos e E23-05 para materiais metálicos.

2.1.2 Polietileno Linear de Baixa Densidade (PEBDL)

O PEBDL é utilizado normalmente em filmes para uso industrial, fraldas descartáveis e absorventes, lonas em geral, brinquedos, artigos farmacêuticos e hospitalares, revestimento de fios e cabos. Na tabela abaixo estão algumas propriedades mecânicas dele:

Tabela 1 – Propriedades mecânicas do PEBDL

Fonte: MatWeb

2.1.3 Poliuretano termoplástico

Pode ser visto algumas aplicações do poliuretano no próprio dia a dia, como em algumas capas de smartphone, solados de chuteiras e demais calçados, mangueiras, bola de futebol, espuma de colchão expandido, espuma expandida de PU para vedação de portas etc. A tabela abaixo contém algumas propriedades mecânicas desse polímero:

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Tabela 2 – Propriedades mecânicas do poliuretano termoplástico

Fonte: MatWeb

2.1.4 Polipropileno moldado

Podemos citar alguns exemplos de polipropileno vistos em tanques, tubulações para produtos químicos, brinquedos, caixas para bebidas embalagens para alimentos e cosméticos, etc. Vejamos algumas propriedades mecânicas:

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Fonte: MatWeb

2.2 Pressão plantar

O dimensionamento da prótese foi realizado a partir de picos de pressão em diferentes movimentos utilizados no jogo de futsal. Os testes dos quais os dados foram obtidos dividem o pé em nove regiões, cada uma delas com diferentes pressões. A figura a seguir representa a divisão dos picos de pressão no pé.

A parte do calcanhar foi dividida em duas regiões, o calcanhar medial (CM) e o calcanhar lateral (CL). A região do médio pé também foi dividida em duas partes, o médio pé medial (MM) e o médio pé lateral (CL). O metatarso foi dividido em três partes, o I meta, o II meta e o III a V meta (que compreendem uma só região). A última região é a que compreende a parte dos dedos, no qual se divide em Hálux (dedão) e dedos. A figura a seguir representa a divisão dos picos de pressão no pé.

Figura 1: Divisão dos picos de pressão plantar no pé

Fonte:O calçado esportivo destinado à prática de futsal

2.2.1 Pico de pressão plantar para o movimento de corrida

Para o dimensionamento da prótese foram utilizados os picos de pressão do movimento de corrida no futsal. A tabela abaixo traz os picos de pressão nas nove regiões do pé, onde foram realizados testes com três modelos de chuteira diferentes.

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Tabela 4: Picos de pressão plantar nos movimentos de corrida

Fonte: O calçado esportivo destinado a prática de futsal

A figura a seguir traz uma representação colorida dos picos de pressão do movimento de corrida no futsal.

Figura 2: Representação colorida dos picos de pressão plantar no movimento de corrida

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Para o dimensionamento da prótese foram utilizados os picos de pressão do movimento de passe no futsal. A tabela abaixo traz os picos de pressão nas nove regiões do pé, onde foram realizados testes com três modelos de chuteira diferentes.

Tabela 5: Picos de pressão plantar para o movimento de passe no futsal

A figura a seguir traz uma representação colorida dos picos de pressão no movimento de corrida no futsal.

Figura 3: Representação colorida dos picos de pressão plantar no movimento de passe

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força é realizado, partindo do movimento de passe.

Figura 4: Representação do ensaio para obtenção dos picos de pressão plantar, em plataforma de força

2.2.3 Plataforma de força

Para o dimensionamento da prótese, foi realizada uma pesquisa sobre as forças atuantes em diferentes partes do pé de um jogador de futsal.

As forças utilizadas no dimensionamento da prótese foram encontradas a partir de ensaios com plataforma de força AMTI (advanced mechanical technology), ela mede a pressão causada em sua plataforma rígida por meio eletrônico. A plataforma rígida tem dimensões 50,8x46,4x8,3cm onde possui células de carga do tipo extensométrica (strain gauge) dispostas em seus quatro cantos, ligados em um circuito elétrico na configuração de Ponte de Wheastone, o que resulta em um desbalanço em tensão elétrica proporcional a força aplicada. (AMTI, 2010)

A plataforma de força possibilita a medição das três componentes de força de reação do solo e também de três componentes de momento sobre os eixos X, Y e Z. Seu retardo de resposta (histerese) é de +-0,2% com uma sensibilidade de 0,08uV/V*N (micro volt por volt vezes newton). Esse sistema é ligado a um condicionador e amplificador de sinal, onde existem 6 canais AMTI OR6-5. O equipamento possui resolução de 0,1N e sua incerteza padrão de medição é de +-258g.

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3 METODOLOGIA

Para a definição do formato da prótese e seu material foi utilizado o Software Invetor Professional versão 2016, com a análise de cargas dentro do ambiente de análises de tensão conhecido como CAE. O tamanho do pé utilizado foi o de um pé número 40/41, de acordo com as medidas das chuteiras usadas para os testes dos picos de pressão plantar da tese O calçado esportivo destinado à prática de futsal. A região do calcanhar ficou com a medida de 77 mm de largura, a região do metatarso ficou com 94 mm de largura e o comprimento total da sola ficou com 280 mm.

Figura 5: Medidas da sola da prótese

Fonte: Os autores

Para a definição do formato, foram desenhados alguns no mesmo software, com o intuito da análise de pressões que são aplicadas na sola do pé ao longo de quatro movimentos, sendo eles: Corrida, passe, chute a gol e mudança de direção. Alguns dos formatos desenhados estão abaixo:

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Figura 6: Primeiro modelo de prótese

Fonte: Os autores

Figura 7: Segundo modelo de prótese

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Figura 8: Terceiro modelo de prótese

Fonte: Os autores

As pressões dos movimentos de corrida e passe foram definidas de acordo com as estabelecidas nas tabelas dos picos de pressão plantar da tese O calçado esportivo destinado à prática de futsal, já citadas no capítulo Referencial Teórico. Estas foram escolhidas a partir do seu valor máximo, não importando qual o modelo de chuteira, a partir de cada parte do pé. As pressões para os movimentos de mudança de direção e chute foram calculadas a partir das informações do artigo Characteristic plantar pressure distribution patterns during soccer-specifc movements, também já citado no capítulo Referencial Teórico. Estas informações dizem que comparado à corrida houve um acréscimo de 220% e 160% nos picos de pressão do calcanhar medial e do antepé na manobra de mudança de direção. Para o chute observou um acréscimo de 250% para o calcanhar lateral (EILS, et al, 2004).

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Dessa forma, calculou-se por regra de três, a partir dos valores máximos estabelecidos para a corrida, as pressões para os movimentos de mudança de direção e chute a gol.

Abaixo estão as tabelas com as nove partes do pé e seus respectivos valores finais dos quatro movimentos:

Tabela 6: Picos de pressão plantar do movimento de corrida

Partes do pé Pressão (kPa) Pressão (MPa)

Hálux 569 0,569 Dedos 304 0,304 I meta 611 0,611 II meta 489 0,489 III a V meta 464 0,464 ML 267 0,267 MM 129 0,129 CL 412 0,412 CM 363 0,363 Fonte: Os autores

Tabela 7: Picos de pressão plantar no movimento de passe

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Tabela 7: Picos de pressão plantar no movimento de mudança de direção

Tabela 8: Picos de pressão plantar no movimento de chute a gol

Abaixo está a imagem da sola da prótese dividida em nove partes:

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Fonte: Os autores

Após a aplicação das cargas nas noves partes do pé, foram simuladas as análises, com o devido refinamento da malha do objeto, realizando uma restrição fixa na parte superior da prótese e restrições de coincidência para unir os sólidos. Esses sólidos, na maioria dos casos, foram divididos em quatro partes, sendo elas: a sola (palmilha), o suporte A, suporte B e a junção do pé na panturrilha. Os dois suportes tem a função de evitar uma deformação que quebrasse a prótese, a palmilha a de receber em todas as áreas as cargas exercidas e a junção tem o objetivo de unir as partes do pé com o restante.

Para a realização da análise das tensões no software o movimento a ser analisado inicialmente foi o de corrida, por ser o básico do esporte, dividindo-o em quatro partes: corrida 1, corrida 2, corrida 3 e corrida 4. Como se sabe, as cargas exercidas no pé não acontecem ao mesmo tempo, pois a sola não é pisada no chão por inteiro ao mesmo tempo. Isto acontece em partes. Essas partes foram divididas entre as 4 já citadas, sendo na primeira a região do Hálux e Dedos, a segunda a dos Metas, a terceira do Mediopé e a quarta a do Calcanhar. Dessa forma a prótese deve suportar ao teste com todas as partes em separado, para que seja comprovado a sua segurança e eficiência para o movimento de corrida. Para os demais movimentos o processo é o mesmo. Abaixo está a imagem da divisão das partes no software:

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Figura 10: Divisão das quatro partes para análise

Fonte: Os autores

Os materiais atribuídos aos sólidos foram Poliuretano Elastomérico na palmilha e Titânio nos suportes e junção. Esses materiais foram escolhidos por sua alta resistência à tração e baixo peso em comparação a outros como alumínio e aço.

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4 ANÁLISE DOS RESULTADOS

Para a análise foi considerado o deslocamento, a tensão de Von Misses e o fator de segurança obtido em cara parte das quatro divisões do movimento de corrida. Foi observado que mesmo na mudança do formato da prótese, assim como tamanhos das grossuras e larguras, o fator de segurança ainda era muito baixo e não ultrapassa o valor de 0,5, não tendo segurança o suficiente para comprovar que a prótese não rompe. O valor ideal de segurança seria acima de 2 no mínimo.

As partes onde o deslocamento era maior e o fator de segurança menor foram a corrida 1 e a corrida 2, onde as cargas também eram maiores pelo fato de ser na parte frontal do pé, sendo essa a que exerce mais força para realizar o movimento.

A parte da prótese que mais sofreu com o baixo fator de segurança (em vermelho) foi no suporte A como mostra a imagem a seguir:

Figura 11: Suporte A sofrendo alta tensão de Von Misses

Fonte: Os autores

Os demais lugares da prótese resistiram as pressões atribuídas e passaram no teste.

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5 CONCLUSÃO

Conclui-se que os formatos usados no desenho da prótese, assim como suas medidas e seus materiais não tiveram êxito na tentativa de alcançar o objetivo que era a definição dos mesmos. Observou-se que para alcançar esse objetivo a metodologia dos testes pode ser a mesma, pois foi avaliada como boa, e outros mais formatos devem ser testados, modificando principalmente a parte do suporte A onde ocorriam as rupturas, como foi mostrado no capítulo anterior.

Também se conclui que para realização dessas análises nesse software é recomendado que o usuário tenha amplos conhecimentos do seu funcionamento, para que não ocorra erros que afetem o resultado final.

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REFERÊNCIAS

BRASIL. MINISTÉRIO DA SAÚDE. Diretrizes de atenção a pessoa amputada. 1 ed. p.8, 2013.

EILS, E. et al, Characteristic plantar pressure distribution patterns during soccer-specifc movements. American Journal Sports Medicine, v.32, p.140-145, 2004.

Overview of materials for Linear Low Density Polyethylene (LLDPE), Injection Molded. MatWeb. Disponível em: <http://matweb.com/search/DataSheet.aspx? MatGUID=bcd1ad1e1a7445aca5321d26f00bdf12&ckck=1> Acesso em: 10 ago. 2016.

Overview of materials for Thermoplastic Polyurethane, Elastomer, Glass Filled.

MatWeb. Disponível em: <http://matweb.com/search/DataSheet.aspx?

MatGUID=2fe782a31c4b4bed984b49651762b086> Acesso em: 10 ago. 2016.

Overview of materials for Polypropylene, Molded. MatWeb. Disponível em:

<http://matweb.com/search/DataSheet.aspx?

MatGUID=08fb0f47ef7e454fbf7092517b2264b2> Acesso em: 10 ago. 2016.

Padovani MT; Martins MRI; Venâncio A; Forni JEN. Ansiedade, depressão e qualidade de vida em indivíduos com dor do membro fantasma. Acta Ortop Bras. 2015. Disponível em URL: http://www.scielo.br/aob.

RODA, Daniel. Polietileno (PE). Tudo sobre plásticos. Disponível em:

<http://www.tudosobreplasticos.com/materiais/polietileno.asp#> Acesso em: 10 ago. 2016.

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Tudo sobre plásticos. Disponível em:

<http://www.tudosobreplasticos.com/materiais/pu.asp#> Acesso em: 10 ago. 2016.

RODA, Daniel. Polipropileno (PP). Tudo sobre plásticos. Disponível em: <http://www.tudosobreplasticos.com/materiais/polipropileno.asp#> Acesso em: 10 ago. 2016.

TESTE Izod. CIMM. Disponível em:

<http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6583-teste-izod#.V8CCQfkrLIU> Acesso em: 11 ago. 2016.