IMPRESSÃO 3D: UMA ALTERNATIVA
ÀS TÉCNICAS ATUAIS DE
IMOBILIZAÇÃO DE MEMBROS
Andrea Madureira Simoni (Faculdade IBMEC )deamadus@gmail.com
Carlos Alberto Silva de Miranda (Faculdade IBMEC )
carlosasmiranda@gmail.com
Paulo Henrique Campos Prado Tavares (FACULDADE DE ENGENHARIA DE MINAS GERAIS )
phenrique@feamig.br
Os métodos tradicionais de Design e Engenharia Reversa apresentam diversas ferramentas e abordagens capazes de interferir no melhoramento de processos diversos, como os voltados para o processo de imobilização de membros, na medicina. As applicações médica
Palavras-chave: Design Industrial, impressão 3D, escaneamento 3D, tratamento de fraturas.
1. Introdução
O tecido ósseo apresenta constante atividade em qualquer etapa da vida de um ser humano. “No tecido ósseo em desenvolvimento, essa atividade é voltada para o crescimento e modelação óssea em processos pelos quais o osso atinge sua forma e seu tamanho. No caso do indivíduo adulto, a atividade metabólica envolve predominantemente a remodelação” (KATCHBURIAN & ARANA, 1999; SCHENK, 1994). Isso significa que após um trauma ou uma fratura o tecido pode se regenerar em uma tentativa do organismo de reconstituir essa parte do membro danificado. Além das excelentes propriedades mecânicas que conferem ao nosso tecido ósseo uma qualidade estrutural natural, a fisiologia deste sistema demonstra um potencial único de reparação, capaz de reparar fraturas ou falhas localizadas por meio do processo de regeneração com a formação de novo tecido com idêntica formação estrutural do tecido anterior sem a formação de cicatrizes” (SCHENK, 1994). Para que isso seja feito com mais perfeição, a medicina lança mão de algumas técnicas como a imobilização local imediata e o engessamento para manter o membro em uma posição ideal de forma que a regeneração alcance a integridade anatômica e qualidade estrutural durante todo o processo. Entende-se que a atividade do tecido é tal que assim que ocorre a fratura uma série de eventos começam a acontecer e o organismo entra em processo de recuperação. Amadei et Al. (2006), especificamente descrevem que:
“Aproximadamente do terceiro ao quinto dia após a fratura, o periósteo e o endósteo respondem com intensa proliferação, formando um tecido conjuntivo muito rico em células osteogênicas, o qual constitui um colar em torno da fratura e penetra entre as extremidades ósseas rompidas, sendo denominado calo fibroso. Células endoteliais derivadas dos tecidos circunjacentes migram, proliferam-se e formam novos capilares que penetram no hematoma. (...) Osteoblastos de dentro do calo sintetizam colágeno e matriz, portanto, nesse anel ou colar conjuntivo, bem como no conjuntivo que se localiza entre as extremidades ósseas fraturadas, surge tecido ósseo imaturo, tanto pela ossificação endocondral de pequenos pedaços de cartilagem que se formam, como também por ossificação intramembranosa. Esse processo evolui de modo a aparecer, após algum tempo, o calo ósseo, o qual é constituído de tecido ósseo imaturo, que se formou de modo desordenado caracterizado por arranjo irregular dos
osteócitos e orientação irregular das fibras colágenas. Enquanto o processo de reparo continua, ocorre remodelação óssea, o calo se torna desnecessário, sendo reabsorvido, e as trabéculas são formadas e orientadas ao longo de linhas de esforços e se tornam funcionais.”
Estes mesmos autores também descrevem que a velocidade desse processo sofre a interferência de alguns fatores locais e sistêmicos, citando entre eles a necessidade de imobilização local.
“Essa imobilização se faz necessária, pois no caso de fraturas localizadas em regiões com excessiva mobilidade, pode ocorrer o desenvolvimento de tecido cartilaginoso, que possui menos exigências metabólica que o osso. Quando o tecido é imobilizado devidamente, o reparo ocorre por meio de formação óssea primária” (HOLLINGER & WONG, 1996).
Depois de detectada e compreendida a fratura, o médico ortopedista pode optar pelo tratamento conservador onde ele tentará fazer uma redução da fratura ao reposicionar manualmente o osso e em seguida imobilizar o membro por cerca de 20 ou 30 dias. Essa imobilização pode ser feita com o gesso ou com talas gessadas que manterão o membro na posição ideal à recuperação.
Para a fixação do membro o gesso e a tala gessada são categorizados como fixadores externos, uma vez que estão aplicados no exterior do organismo. Aqueles que estão aplicados no interior/ como pinos, placas e parafusos, por exemplo, são os fixadores internos.
“Em termos de classificação dos tipos de gessagem e imobilizações, além dos seus principais usos são (MATOS, 2012, HOLLINGER & WONG, 1996):
• Cruropodálico- aplicado em todo o membro inferior. Serve para imobilizar fraturas do fêmur próximas ao joelho e fraturas da perna. Este pode ser utilizado para andar ou não, dependendo da indicação do médico e, em alguns casos, leva consigo solados de calçados/ como chinelos;
• CruropodálicoBroomstick - vai desde a coxa até o pé, colocado bilateralmente, servindo para manter as coxas e pernas imobilizadas na posição de abertura/ sendo utilizado nos casos de pós-operatório de cirurgias nos tendões da coxa;
• Gesso antebraquiopalmar - vai da prega do cotovelo até a região entre a palma da mão e os dedos e serve para contusões e fraturas dos ossos do punho e da mão;
• Gesso braquiopalmar - vai desde o braço, logo abaixo do ombro, até a região entre a palma da mão e os dedos. Serve para contusões e fraturas do braço;
•Hemijota – tipo de imobilização não gessada, que liga o braço ao tronco para impedir os movimentos do ombro, braço e cotovelo, aplicado em fraturas da clavícula, ombro e braço;
• Imobilização em 8 – tipo de imobilização não gessada que abraça os dois ombros e que também serve para fraturas da clavícula;
• Pelvipodálico - colocado desde o quadril até o pé, serve para fraturas do fêmur e também nos casos de pós-operatório de cirurgias do quadril, podendo ser somente colocado do lado lesado ou incluir a outra coxa, dependendo da indicação;
• Suropodálico - colocado na perna até os dedos do pé. Serve para fraturas da perna, do tornozelo e pé e também pode ser utilizado para andar dependendo da indicação; • Velpeau – tipo de imobilização não gessada que é colocada fixando o braço no tronco e que é comumente aplicada em fraturas na região do ombro e braço.
Além destes, podemos citar ainda a órtese, que tem a mesma função básica da imobilização gessada: impedir o movimento do local machucado ou quebrado. Geralmente, é mais leve que o gesso, feita de lona de algodão e pode ou não ter suporte com hastes de aço. Fica fixada à extremidade mediante tiras de velcro. Eventualmente, segundo a orientação médica, poderá ser retirada para dormir e no banho.
Tendo em vista o exposto, que caracteriza a investigação inicial sobre o objetivo de inserção do presente projeto de pesquisa, surgiu o embasamento para a hipótese da aplicabilidade da ferramenta de impressão 3D enquanto possibilidade de substituição ou mesmo enquanto técnica alternativa ao uso do procedimento tradicional.
As aplicações médicas para a impressão 3D têm se expandido muito nos últimos anos e é esperado que ela revolucione a saúde. Os usos médicos para impressão 3D, tanto real e potencial, podem ser organizados em várias categorias amplas incluindo: fabricação de tecidos vivos e órgãos; criação e personalização de próteses, implantes, modelos anatômicos e uso farmacêutico (MATOZINHOS et. Al., 2017).
Existem várias possibilidades de uso dessa tecnologia/ mas uma das mais estudadas é a sua aplicação na medicina. Para Ventola (2014). A aplicação de impressão 3D na medicina pode proporcionar muitos benefícios incluindo a customização e personalização de produtos médicos, medicamentos e equipamentos, além de proporcionar o incremento da eficácia de procedimentos conhecidos e o aumento da reprodução das técnicas inovadoras.
Iniciativas de empreendimentos que se propuseram a executar proposta de mesmo conteúdo de utilização da ferramenta de impressão 3D na substituição do gesso ortopédico vem sendo divulgadas na mídia. Pode-se citar o projeto CORTEX, da Evil Design (Figura 1) e o Projeto OSTEOID (Figura 2), criado pelo estudante turco DenizKarasahin. Em ambos os casos, não é possível obter maiores informações, provavelmente pelo interesse em explorar economicamente os resultados por parte dos autores.
Figura1–ProjetoCORTEX
Figura 2 – Projeto OSTEOID
Fonte: <https://www.b9.com.br/49192/osteoid-o-gesso-futuro/>, acessado em 02/08/2018.
2. Objetivos e justificativas
O gesso ortopédico, conforme descrito, é uma técnica tradicional de fixação e imobilização comumente empregada no tratamento de fraturas dentre outras enfermidades em processos medicinais. Este tem ainda a função de permitir repouso necessário ao membro para que ocorra a cicatrização da melhor forma possível. Ao manter o membro imobilizado, o gesso impede que ocorram novas lesões, especialmente a de nervos e vasos sanguíneos além de propiciar que o paciente possa ser transportado e de fornecer conforto suficiente para que sejam feitos exames radiográficos. Também promove analgesia (diminuição ou abolição completa da dor) (MATOS, Op. Cit.). Para este autor, na maioria das fraturas, o gesso serve como tratamento temporário, ou seja, até que o paciente seja encaminhado ao ortopedista (transporte) ou até que o médico ortopedista decida qual será o tratamento definitivo. Apenas em alguns casos o gesso funciona como tratamento definitivo. Portanto, se faz necessário que o processo de colocação e retirada deste mecanismo fixador/imobilizador seja fácil.
O tratamento gessado pode gerar coceiras, irritação cutânea, e lesões (feridas ou escaras) na pele em função do contato direto deste com a pele do indivíduo, além de provocar interferências na rotina do paciente. O gesso não é à prova de água, devendo ser protegido na hora do banho, para evitar que se molhe pois pode perder a capacidade de manter as extremidades ósseas na posição adequada para recuperação, sendo necessária sua troca. Esta troca deve ser evitada, especialmente nos casos de fratura, pois ele foi colocado após a
redução da fratura no pronto-socorro ou no centro cirúrgico, sob anestesia. Implica, portanto, em uma nova redução e/ou nova anestesia. Além disso, a umidade no gesso pode resultar em irritação da pele e coceira. Também é muito comum observarmos os pacientes inserindo objetos dentro da cobertura do gesso para se coçarem, como canetas ou réguas escolares. Ou no caso das crianças, inserindo objetos pequenos dentro do gesso por brincadeira (MATOS, 2012).
Os métodos tradicionais de Design e Engenharia Reversa apresentam diversas ferramentas e abordagens capazes de interferir para o melhoramento de processos diversos como este, voltado para o processo de imobilização. Sendo assim, a presente pesquisa se enquadra dentro do campo do design adequadamente, na medida em que a área tem muito a contribuir para processos de incorporação e disseminação tecnológicas de forma a tornar os tratamentos tradicionais mais eficazes e humanizados. O processo mais economicamente viável de impressão 3D, nos dias atuais, face à sua disponibilidade e baixo custo, é o processo de impressão por FDM (sigla para FusedDepositionModeling, ou Impressão 3D através de deposição por material fundido). Neste processo, um determinado material macio, em estado plástico, é seletivamente depositado em uma plataforma através de um bico extrusor, conforme Figura 3.
Figura 3 - Esquema geral do processo FDM
Fonte:(THRE3D,2018)
Para depositar a camada este bico vai extrudando o material em todo o contorno da seção depois de terminado passa a preencher o conteúdo do contorno, geralmente em movimentos
de vai e vem. Depois que a primeira camada é terminada, o bico sobe alguns décimos de milímetro e inicia a fabricação da segunda camada, e assim vai fazendo sucessivamente até que a peça esteja completa.
Atualmente é a tecnologia mais popular encontrada no mercado e com os menores preços, devido à sua simplicidade de funcionamento e componentes simples e facilmente encontrados no mercado. Também é uma das tecnologias mais flexíveis quando se trata de diversidade de materiais, como já citado acima, podendo ser adaptada para inúmeras aplicações.
Tendo estas duas características como principais, foi a primeira tecnologia popularmente comercializada no mercado e vem abrindo muitas possibilidades com maior destaque para a autoprodução, uma das finalidades que promete criar uma ruptura na cadeia produtiva de vários segmentos de mercado, alguns sentindo mais outros menos esse impacto.
Uma vantagem é a variedade de materiais compatíveis de serem aplicados. Qualquer material em estado plástico que possa ser comprimido por um bico para ser extrudado, pode ser utilizado. O mais comum são filamentos de termoplásticos, tipo ABS, porém a gama é muito extensa, como por exemplo, na materialização de alimentos, como massa de biscoitos, pão, pizza, queijos, chocolate, bem como aplicação em pesquisas médicas com a impressão de células vivas, técnica chamada de bio-impressão.
Porém, para que a impressão seja feita, é necessário que exista um modelo sólido paramétrico que permita a programação da criação (chamada de fatiamento, ou slicing) e a deposição das camadas citadas. No caso da aplicação proposta, faz-se necessária a digitalização do membro afetado pela fratura e a conversão desta digitalização em um modelo paramétrico passível de impressão 3D.
A técnica de digitalização mais comumente empregada na obtenção de formas sólidas tridimensionais paramétricas é o escaneamento 3D e este é hoje, em sua maior parte, feito com uso de luz estruturada. Há uma projeção de padrão sobre o objeto, o que auxilia na captura feita por uma câmera geralmente acoplada à estrutura do scanner permitindo assim a formação da malha tridimensional em diferentes softwares (GUIDI; RUSSO; BERALDIN; 2010). Um esquema simplificado do funcionamento pode ser visto na Figura 4.
Figura 4 – Esquema de funcionamento da digitalização 3D por luz estruturada.
Fonte: Adaptado de GUIDI; RUSSO & JEAN-ANGELO, 2010.
Partindo do exposto, esta proposta visa aplicar técnicas e metodologias de design e engenharia reversa (tais como o escaneamento 3D) na investigação da aplicabilidade técnica da ferramenta de impressão 3D em processos de imobilização de fraturas, em substituição ao gesso ortopédico ou mesmo como alternativa a ser considerada ao uso do mesmo.
Os objetivos secundários deste trabalho se embasaram na execução de um protótipo físico de um substituto ao gesso ortopédico tradicional, feito em impressão 3D, que permitisse analisar procedimentos operacionais e viabilidade técnica no processo de escaneamento de possíveis membros fraturados, além de avaliar métodos e ferramentas CAD (computeraided design) tradicionais de modelagem paramétrica tridimensional para a geração de modelos passíveis de impressão 3D, relacionados à natureza da aplicação. A partir disso, ter informações para avaliar também a viabilidade técnica no emprego da impressão 3D tipo FDM (FusedDepositionModeling) para a geração de fixações adequadas à aplicação proposta, também gerando embasamento inicial para o planejamento de avaliações e testes mais aprofundadas em campo, em trabalhos futuros, provavelmente em projetos interdisciplinares envolvendo pesquisadores da área médica.
Tendo em vista os diversos tipos de classificação de gessagem e imobilizações, além dos seus principais usos, optou-se por trabalhar a análise com foco no gesso antebraquiopalmar, que vai da prega do cotovelo até a região entre a palma da mão e os dedos e serve para contusões
e fraturas dos ossos do punho e da mão. A escolha se baseou nas limitações de tamanho de impressão da impressora 3D disponível para a execução da impressão teste, que permitem o desenvolvimento de um objeto com dimensões aproximadas da um antebraço e mão de um indivíduo adulto de tamanho médio (aproximadamente 600mm de altura total).
2. Desenvolvimento do experimento, resultados e discussões preliminares
Inicialmente optou-se por fazer o escaneamento utilizando o programa e o scanner 3D (Figura 5) da Artec Studio®. Foram feitas várias tentativas de escaneamento da mão direita. Primeiramente tentou-se escanear por partes de forma que fosse possível uni-las através de processamento via software. Posteriormente tentamos mapear o membro de uma vez só e corrigir as pequenas falhas da captura no programa. Esta última opção foi a adotada para prosseguir o estudo.
Figura 5 – Scanner Artec usado para o escaneamento
Em seguida, o arquivo foi importado para ser trabalhado no Software Meshmixer® e de lá foi gerada a malha que configura o desenho inicial sobreposto ao membro trabalhado (Figura 6).
Figura 6 – Protótipo do imobilizador modelado no Meshmixer®posicionado sobre o arquivo de imagem do braço escaneado.
Fonte: Dos autores.
A partir dos arquivos gerados foi feita a primeira tentativa de impressão do gesso. O programa utilizado para configurar o arquivo e ser impresso usando a impressora Sethi3D AiP A3® foi o Simplify3D®. Nele foi possível ver melhor como a malha do gesso estava configurada e identificamos algumas falhas de forma. Após correção, conseguimos uma malha mais sólida e apta para proceder com a impressão. O tempo da impressão foi de aproximadamente 9 horas e 16 minutos, utilizando um comprimento de 31220,3 mm de filamento e um peso de 78,8 gramas. Vale ressaltar que esse tempo varia de acordo com o tipo e a qualidade do material e dos equipamentos que serão usados no processo e das configurações escolhidas para a produção da peça. Um setup mais detalhado a fim de obter uma peça mais densa pode aumentar o tempo de impressão. Impressoras e equipamentos mais tecnológicos e avançados, podem reduzir esse tempo total.
O resultado da primeira tentativa foi uma peça única muito frágil, mas que permitiu avaliarmos o procedimento como um todo, desde o escaneamento, até a impressão e acabamento da peça, o protótipo de imobilizador (Figura 7).
Figura 7 – Protótipo do mobilizador impresso (esq.) e aplicado no punho do braço que foi digitalizado (escaneado) (dir.)
Fonte: Dos autores.
Em segunda tentativa, a melhoria do modelo foi proposta ao criarmos duas partes, superior e inferior, para melhor encaixe da peça no membro danificado (Figura 8).
Figura 8 – Imagens em diferentes ângulos das partes superior e inferior da peça proposta como segundo modelo.
Para os próximos protótipos, foram propostos desenhos de travas de fixação que unem as duas partes a partir de um modelo “macho-fêmea” e o uso de um elemento elástico, que permite que a distância entre as partes se altere de acordo com o processo de inchaço-desinchaço do membro durante o processo do tratamento/imobilização, ficando cada vez mais próximas à medida que a área coberta for voltando à antropometria original. Outra possibilidade que será analisada na confecção do próximo protótipo, será de avaliar a aplicação de uma espécie de elemento físico “afastador”, para casos onde o espaço entre as partes da peça deva ser controlado pelo médico e não fique submetido apenas à contração do elástico.
As tecnologias de impressão em plástico trazem diversas questões a serem consideradas como benefícios ao serem aplicadas na execução de fixadores, objetos tridimensionais encaixáveis. Em primeiro lugar, é possível obter peças adequadas ao formato do membro afetado pela fratura e que permitirão infinitas montagens e desmontagens, caso necessário, nos procedimentos médicos.
Além disso, uma vez que o material trabalhado é plástico, apresenta-se um material reciclável por inúmeros ciclos, com a possibilidade de utilização em outros objetos inclusive na aplicação original, sem contaminação. Há que se citar ainda a possibilidade de impressão em materiais plásticos oriundos de fontes naturais renováveis e demais materiais compatíveis com outros tipos de impressoras. Outro ponto interessante, mais voltado ao conforto do paciente, é o fato de que ele não precisará se preocupar em molhar a fixação. Ainda nesse ponto, a rigidez estrutural do material se adequa à possibilidade de termos o elemento vazado, permitindo que a pele respire e que o paciente possa se coçar, eventualmente
Em paralelo ao trabalho das Impressoras 3D, também podem ser utilizados dispositivos como scanner 3D (tridimensional), que se apresentam como novas possibilidades tecnológicas que podem auxiliar o processo de medição de membros, agilizando o processo de obtenção dos modelos paramétricos passíveis de impressão 3D. Estes se tornam cada dia mais acessíveis e disponíveis, onde encontramos relatos descritivos de escaneamentos feitos com aplicativos para celulares do tipo smartphone e até mesmo componentes de consoles de jogos e entretenimento, como o Kinectic® do XBOX® (JUVENAL & KUNKEL, 2017).
Apesar de a tecnologia de impressão 3D estar cada vez mais acessível e barata, os métodos empregados em sua preparação e condução do seu processamento ainda são muito restritivos aos que dominam essa tecnologia, bem como as demais associadas aos procedimentos com softwares, que são específicos. Notamos, com o desenredo deste trabalho, que existe uma potencial aplicabilidade deste processo na finalidade aqui estudada, em termos de prazo de execução e benefícios de aplicação. Isto posto, concluímos que, atualmente, todo esse processo de produção e modelagem da fixação para o membro danificado é extremamente demorada, podendo ser comparada a um trabalho artesanal. Isso acontece porque ainda não existem mecanismos que facilitem a devida transformação dos arquivos trabalhados durante todo o processo. Por isso, propõe-se que a viabilização deste processo se dê a partir da criação de ferramentas ou softwares capazes de, em apenas alguns procedimentos simplificados, transformarem o escaneamento inicial em arquivos passíveis de impressão FDM. A intenção é que os comandos sejam os mais simples o possível, de forma que não sejam necessários conhecimentos prévios de design, engenharia ou modelagem. Sendo assim, assim que o escaneamento do membro for feito, o operador, que pode ser o enfermeiro ou o médico, poderá acessar o programa e decidir os acessórios de fixação que serão aplicados à peça, por exemplo. Um comando seleciona a área do arquivo a ser trabalhada. Outro comando dá a opção de escolher designs pré-definidos assim como a espessura que a peça terá. Além disso, haverá um comando que definirá onde e qual será a forma de fixar as partes superior e inferior do modelo. Por fim, o último comando será responsável por gerar o G-Code, que é o arquivo fonte do que foi feito, utilizado para a impressão 3D e assim o operador poderá colocar a peça para imprimir. Após esta etapa, dar o acabamento necessário e aplicar no paciente.
A partir dos resultados obtidos, identificou-se então um fluxo do processo com as atividades ordenadas, conforme demonstrado na (Figura 9).
Figura 9 – Fluxograma identificado para o sistema de produção de imobilizador a partir da tecnologia de impressão 3D.
Fonte: Elaborado pelos autores.
REFERÊNCIAS
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GROSS, B.; ERKAL, J.; LOCKWOOD, S. & SPENCE, D. Evaluationof 3D Printingand Its
GUIDI, G; RUSSO, M; JEAN-ANGELO, B. Acquisizione 3D e modellazione poligonale. 1. Ed. Milano: Editora The MacGrawHillCompaniessrl, 2010.
HOLLINGER, J.; WONG, M. E. K. The integrated processes of hard
tissueregenerationwithespecialemphasisonfracturehealing. Oral Surg Oral Med Oral Pathol, v. 82, n. 6, p.
594- 606, 1996.
JUVENAL, E. & KUNKEL, M. Metodologia para Produção de Órtese Tornozelo e Pé através da
Fotogrametria e Modelagem Tridimensional. Anais Anais do VIII Simpósio de Instrumentação e Imagens
Médicas (SIIM) / VII Simpósio de Processamento de Sinais da UNICAMP. São Bernardo do Campo, 2017.
KATCHBURIAN, E.; ARANA, V. Tecido ósseo. In: Histologia e embriologia oral. São Paulo: Panamericana, 1999. cap.3, p. 40-75.
MATOS, M. Saiba para quais tipos de lesões o gesso é indicado. 2012. Disponível em:
<http://www.isaudebahia.com.br/noticias/detalhe/noticia/saiba-para-quais-tipos-delesoes-o-gesso-e-indicado> acesso em: 02/08/2018.
MATOZINHOS, I.; MADUREIRA, A.; SILVA, G.; MADEIRA, G.; OLIVEIRA, I. & CORRÊA, C. Impressão
3D: inovações no campo da medicina. Revista Interdisciplinar Ciências Médicas/MG. Belo Horizonte, 2017,
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SCHENK, R. K. Boneregeneration: biologicbasis. In: BUSER. D.; DAHLIN, C.; SCHENK, R. K. Guidedboneregeneration in implantdendistry. Chicago: Quintenssense Books, 1994. cap. 3, p. 49-100.