Tiago Alexandre Ribeiro Pereira
Projeto e desenvolvimento de uma bengala
antiqueda
Dissertação de Mestrado
Mestrado em Engenharia Mecânica
Trabalho efetuado sob a orientação de
Professor Doutor Eurico Augusto Rodrigues de Seabra
Professora Doutora Cristina Manuela Peixoto Santos
ii
DECLARAÇÃO
Nome: Tiago Alexandre Ribeiro Pereira
Endereço eletrónico: a65383@gmail.com Telefone: 914235990 Bilhete de Identidade/Cartão do Cidadão: 14392814
Título da dissertação: Projeto e desenvolvimento de uma bengala antiqueda
Orientadores:
Professor Doutor Eurico Augusto Rodrigues de Seabra Professora Doutora Cristina Manuela Peixoto Santos
Ano de conclusão: 2017
Mestrado em Engenharia Mecânica
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É AUTORIZADA A REPRODUÇÃO INTEGRAL DESTA DISSERTAÇÃO APENAS PARA EFEITOS DE INVESTIGAÇÃO, MEDIANTE DECLARAÇÃO ESCRITA DO INTERESSADO, QUE A TAL SE COMPROMETE.
É AUTORIZADA A REPRODUÇÃO PARCIAL DESTA DISSERTAÇÃO (indicar, caso tal seja necessário, nº máximo de páginas, ilustrações, gráficos, etc.), APENAS PARA EFEITOS DE INVESTIGAÇÃO, MEDIANTE DECLARAÇÃO ESCRITA DO INTERESSADO, QUE A TAL SE COMPROMETE.
DE ACORDO COM A LEGISLAÇÃO EM VIGOR, NÃO É PERMITIDA A REPRODUÇÃO DE QUALQUER PARTE DESTA TESE/TRABALHO.
Universidade do Minho, _____/_____/_________
A
GRADECIMENTOS
Este projeto representa o fim de um ciclo de estudos e início da vida profissional, e gostaria de agradecer a todos que de uma forma ou outra contribuíram para a realização deste trabalho. Aos meus orientadores, Professor Eurico Seabra e Professora Cristina Santos que me acompanharam desde o início do projeto.
Deixo um agradecimento especial a toda empresa da Orthos XXI onde encontrei o ambiente, disponibilidade e ajuda de uma família.
Aos meus amigos pelo encorajamento e disponibilidade manifestada, todos aqueles que não mencionei, mas que intervieram direta ou indiretamente na elaboração deste projeto. Por último, quero agradecer e dedicar esta dissertação à minha família e namorada, pelo apoio prestado e incentivo de todos os dias e momentos do meu percurso académico.
iv
R
ESUMO
Um dos objetos mais comuns na vida de qualquer humano é a bengala, seja por lesão, deficiência motora ou patologia associada a idade avançada, a maioria das pessoas acaba por usar um auxiliar de marcha ao longo da sua vida.
Muitas vezes estes dispositivos auxiliares de marcha servem como incentivo psicológico para que o paciente mantenha a sua independência nas tarefas do quotidiano, o uso desta “perna extra” dá-lhes mais estabilidade.
Uma bengala consiste num simples pau, varão ou haste que o utilizador usa para se apoiar durante a marcha, na procura de obter maior estabilidade. Contudo este dispositivo simples pode, às vezes, representar um risco acrescido que resulta em quedas e lesões. Num momento de fraqueza e instabilidade a bengala não servirá de auxílio, podendo até dar a falsa noção de apoio estável ao utilizador que pode tentar socorrer-se na bengala e cair de maneira desastrosa.
No âmbito da dissertação do curso Mestrado Integrado em de Engenharia Mecânica foi tido como objetivo a criação de um produto inovador, uma bengala antiqueda, que melhore o quotidiano de idosos e pessoas com necessidade de um dispositivo auxiliar de marcha. Mais que um produto é tentado criar-se um conceito que torne a bengala num dispositivo robusto onde as pessoas que as utilizam diariamente podem confiar e usarem em momentos de instabilidade.
A
BSTRACT
One of the most common objects in the life of any human is the cane, whether by injury, motor deficiency or pathology associated with old age, almost all people end up using a walking aid throughout their lifetime.
Often these auxiliary gait devices serve as psychological incentive for the patient to maintain their independence in the daily tasks, the use of this "extra leg" gives them more stability.
A cane consists of a simple stick, rod or stem that the user uses to support himself during the march, in search of greater stability. However, this simple device can sometimes present an increased risk resulting in falls and injuries. In a moment of weakness and instability the cane will not serve as an aid, and may even give the false notion of a stable support to the user who may try to bail himself off and fall disastrously.
In the scope of the master's thesis master of Mechanical Engineering was aimed at the creation of an innovative product, an anti-fall cane that improves the daily life of elderly people and people in need of an auxiliary gait device. More than a product, one tries to create a concept that makes the cane a sturdy device where people who use them daily can trust and use in times of instability.
vi
Í
NDICE
Agradecimentos ... iii Resumo ... iv Abstract ... v Índice ... vi Lista de Figuras ... ix Lista de Tabelas ... xiLista de Abreviaturas, Siglas e Acrónimos ... xii
1. Introdução ... 1
1.1 Motivação ... 1
1.2 Objetivos da dissertação ... 2
1.3 Estrutura organizada ... 2
2. Estado de Arte ... 5
2.1 Quem usa e necessita de bengalas ... 5
2.2 Modo de utilização das bengalas ... 7
2.3 Mercado das bengalas ... 8
2.4 Patentes existentes sobre bengalas ... 12
2.5 Impacto na saúde derivado do uso de bengalas ... 14
2.6 Reflexão do estado de arte ... 17
3. Modelo humano e a marcha ... 19
3.1 O membro inferior ... 19
3.2 Análise da marcha ... 21
3.2.1 O ciclo da Marcha ... 23
3.2.2 Importância da ligação Joelho-pé... 26
4. Projeto Conceptual da Bengala Protótipo ... 29
4.1 Conceção do protótipo ... 29
4.1.1 Limitações impostas para modelo realista ... 29
4.1.2 Conceitos pretendidos no protótipo... 30
4.2 Projeto de desenvolvimento do produto ... 31
4.3 Especificações de desempenho ... 32
4.5 Brainstorming e obtenção de soluções ... 34
4.5.1 Ventosas com efeito de Venturi ... 34
4.5.2 Ventosas conjugadas com motor elétrico ... 35
4.5.3 Ventosas com reservatórios de vácuo ... 36
4.5.4 Cola instantânea removível ... 37
4.5.5 Transformação da bengala em tripé ... 38
4.5.6 Avaliação e comparação das opções ... 39
4.6 Mapa Morfológico ... 41
4.6.1 Articulação da base ... 43
4.6.2 Tipo de base ... 43
4.6.3 Mecanismo de libertação das ventosas ... 43
5. Protótipo ... 45
5.1 A idealização do protótipo ... 45
5.1.1 Estrutura/base ... 46
5.1.2 Sistema de fixação ... 48
5.1.3 Mecanismo de acionamento... 52
5.2 Os vários componentes e meios de aquisição ... 53
5.2.1 Seleção de órgãos do sistema de vácuo ... 54
5.2.2 Dimensionamento de órgãos mecânicos... 57
5.2.3 Prototipagem rápida da base ... 60
5.3 Protótipo e resultados ... 62
5.3.1 Ensaios de validação ... 62
5.3.2 Falhas detetadas e melhorias propostas ... 65
6. Protótipo v2 e resultados ... 67
6.1 Melhorias aplicadas ... 67
6.1.1 Reservatórios de vácuo ... 67
6.1.2 Alterações dimensionais na base ... 69
6.1.3 Molas ... 70
6.1.4 Sistema ligação entre ventosa e válvula 3/2 ... 72
viii
6.2.1 Resultados dos ensaios de validação ... 74
6.2.2 Reflexões finais sobre o protótipo... 75
7. Conclusões e Trabalhos futuros ... 77
7.1 Conclusões ... 77
7.2 Trabalhos futuros... 77
Bibliografia ... 81
Anexo A – Vista geral das soluções ... 87
Anexo B – Catálogo de ventosas da SMC ... 89
L
ISTA DE
F
IGURAS
Figura 2.1 Vários tipos de muletas ... 6
Figura 2.2 Demonstração para um uso correto da bengala [4] ... 8
Figura 2.3 Variáveis de bengalas de alumínio convencionais ... 9
Figura 2.4 Bengala que possui juntas que simulam articulações humanas: a) base que simula tornozelo; b) junta que simula joelho a meio da haste [5]. ... 9
Figura 2.5 Diferentes tipos de suportes: a) suporte simples; b) tripé; c) base de três apoios; d) base de quatro apoios; e) base com sistema de cinco, adaptado de suportes [7-11] ... 10
Figura 2.6 Ilustração que demonstra o funcionamento da bengala sonar [13] ... 11
Figura 2.7 Ilustrações de patentes sobre tripés: a) patente norte-americana (US 9,161,595 B2); b) patente chinesa ... 13
Figura 2.8 Patente norte-americana (US 9.016.297 B2) ”Quad-legged” [16] ... 14
Figura 2.9 Forças de estabilização geradas para o equilibrio na marcha [17] ... 16
Figura 3.1 Planos de referência Sagital, Frontal e Inferior [12]... 20
Figura 3.2 Movimentos das articulações do membro inferior do corpo humano [12]. ... 21
Figura 3.3 Ciclo da marcha [20]... 24
Figura 3.4 Separação das duas fases absolutas do ciclo de marcha [17] ... 25
Figura 4.1 Bengala que reúne as funcionalidades extras mais importantes ... 31
Figura 4.2 Esquema da estrutura do projeto [21] ... 32
Figura 4.3 Árvore de objetivos... 33
Figura 4.4 Efeito Venturi representado ... 34
Figura 4.5 Idealização simples do sistema motor elétrico com ventoinha ... 36
Figura 4.6 Esboços de bengalas tripé feitos por um aluno de arquitetura ... 38
Figura 5.1 Imagens e esquema de duas molas da base fornecida ... 45
Figura 5.2 Fotos que exemplificam a movimentação da haste ... 46
Figura 5.3 Base projetada em função das ventosas ... 46
Figura 5.4- Esqueleto metálico e base produzida em impressora 3D ... 47
Figura 5.5 Sistema de libertação da ventosa através de mola de compressão: a) mola comprimida; b) mola descomprimida ... 48
x
Figura 5.7 Válvula de 3 orifícios e 2 posições, adaptado de [22] ... 50
Figura 5.8 Esquema pneumático do sistema de vácuo ... 51
Figura 5.9 Cabo de aço usado em vários outros produtos da empresa Orthos XXI... 52
Figura 5.10 Mecanismo de acionamento: a) antes de acionar; b) sistema acionado. ... 53
Figura 5.11 Projeção do interior da ventosa ... 59
Figura 5.12 Impressora 3D a produzir a base ... 61
Figura 5.13 Protótipo montado ... 62
Figura 5.14 Pontos de ligação do dinamómetro na bengala e direções da força aplicada ... 63
Figura 5.15 Pisos testados, soalho e tijoleira de cozinha ... 63
Figura 6.1 Diferença de grandeza dos dois reservatórios experimentados ... 68
Figura 6.2 Alterações das chapas referentes à válvula de 3 vias ... 69
Figura 6.3 Alterações realizadas na base ... 70
Figura 6.4 Diferente tipo de molas usadas ... 71
Figura 6.5 Conjunto que permite a movimentação da ventosa: A-Batente roscado; B-o-ring; C- casquilho M12; D- casquilho rosca interior 1/8” ... 72
Figura 6.6 Segunda opção para ligar ventosa ao sistema ... 73
Figura 7.1 Articulação do joelho controlada pelo utilizador[29],[30] ... 78
Figura 7.2 Várias fases da perna durante a passada humana ... 79
L
ISTA DE
T
ABELAS
Tabela 2.1 Resumo e comparação das diferentes bengalas do mercado ... 12
Tabela 4.1 Lista de requisitos de desempenho ... 33
Tabela 4.2 Avaliações atribuídas a cada opção em função das propriedades ... 39
Tabela 4.3 Factor de correção associado a cada propriedade ... 40
Tabela 4.4 Classificação final das opções para comparação ... 40
Tabela 4.5 Mapa morfológico de subfunções ... 42
Tabela 5.1 Listagem de características dos diversos componentes ... 54
Tabela 5.2 Força de levantamento teórica e diâmetros das ventosas, adaptado de [25]. ... 57
Tabela 5.3 Tipo de extremidades de mola e características [26] ... 58
Tabela 5.4 Resultados dos ensaios de validação realizados ... 64
Tabela 5.5 Observações sobre os elementos do protótipo ... 65
Tabela 6.1 Tabela comparativa entre as duas soluções ... 73
Tabela 6.2 Resultados obtidos dos testes de validação ... 74
xii
L
ISTA DE
A
BREVIATURAS
,
S
IGLAS E
A
CRÓNIMOS
S
IGLA/S
ÍMBOLOD
ESIGNAÇÃOU
NIDADEAVC Acidente Vascular cerebral -
C Índice da mola -
CAD Computer Aided Design -
CAM Computer Aided Manufacturing -
D Requisito Exigido (demanded) -
Dm Diâmetro médio da mola mm
d Diâmetro do arame da mola mm
FDM Fused Deposition Modelling -
FOG Freezing of gait (congelamento de marcha) -
FCV Força reativa vertical aplicada na mão N
FCH Força reativa horizontal aplicada na mão N
FV Força de reação vertical aplicada sobre a perna contrária N FH Força de reação horizontal aplicada sobre a perna
contrária N
G Módulo de elasticidade transversal Pa
GPS Global Positioning System -
h Altura do reservatório m3
K Constante de mola N/mm
Kb Constante de mola protótipo v2 N/mm
L0 Comprimento livre da mola mm
L0b Comprimento livre da mola protótipo v2 mm
Ls Comprimento mínimo da mola mm
Lsb Comprimento mínimo da mola protótipo v2 mm
n Número de moles mol
nr Número de moles no reservatório vazio mol
nrb Número de moles no reservatório PVC vazio mol
nri Número de moles no reservatório em condições ambientes normais mol nrib Número de moles no reservatório PVC em condições ambientes normais mol
n50 Número de moles no interior da cúpula da ventosa de 50 mm mol n63 Número de moles no interior da cúpula da ventosa de 63 mm mol n80 Número de moles no interior da cúpula da ventosa de 80 mm mol
Na Número de espiras ativas unidade
Nab Número de espiras ativas protótipo v2 unidade
Ne Número de extremidades da mola unidade
Nt Número de espiras total unidade
Ntb Número de espiras total protótipo v2 unidade
r Raio do cilindro do reservatório mm
rb Raio tubo PVC mm
R Constante universal dos gases perfeitos 0,082 .L
o .
p Passo da mola mm
pb Passo da mola protótipo v2 mm
P Pressão Pa
Pr Pressão no interior do reservatório Pa
P50 Pressão do sistema usando a ventosa de 50 mm Pa P63 Pressão do sistema usando a ventosa de 63 mm Pa P63b Pressão do sistema usando a ventosa de 63 mm com reservatório PVC Pa P80 Pressão do sistema usando a ventosa de 80 mm Pa
T Temperatura K
Vb Volume do reservatório m3
Vrb Volume do reservatório PVC m3
V50 Volume da cúpula da ventosa 50 milímetros m3
V63 Volume da cúpula da ventosa 63 milímetros m3
V80 Volume da cúpula da ventosa 80 milímetros m3
y Deformação da mola mm
yb Deformação da mola protótipo v2 mm
1.
I
NTRODUÇÃO
Este projeto foi realizado no âmbito da dissertação de Mestrado do curso de Engenharia Mecânica, da Universidade do Minho, efetuado na empresa “Orthos XXI”, através de um estágio curricular que teve a duração de 6 meses, decorrentes entre fevereiro e julho de 2016.
O objetivo deste projeto consiste na criação de um produto inovador, uma bengala antiqueda, que melhore o quotidiano de idosos e pessoas com necessidade de um dispositivo auxiliar de marcha. Com os vários conhecimentos adquiridos na Universidade durante 5 anos de formação em Engenharia Mecânica, a consultoria dos tutores e professores do departamento, aliados à experiência na indústria biomédica, bem como dos recursos disponibilizados pela Orthos XXI, foi possível a conceção o desenvolvimento e a construção de um protótipo.
1.1
Motivação
Pessoas com limitações de locomoção utilizam bengalas regularmente, estas são baratas, leves e fáceis de usar. As bengalas servem como um apoio extra, que retira peso à perna problemática.
A bengala mais usual consiste apenas numa haste, com um apoio em contacto com o solo. Existem também bengalas mais desenvolvidas com três pontos de apoio e juntas na bengala que simulam as articulações do joelho e tornozelo. Contudo todas as bengalas têm problemas com aderência a pisos mais irregulares ou escorregadios, e o apoio que estas oferecem também não é suficiente para auxiliar no caso de um desequilíbrio do utilizador, resultando na queda e possíveis lesões do utilizador.
Com o intuito de desenvolver algo que ainda não é visto no mercado, pretende-se criar uma bengala que sirva como verdadeiro suporte e base de estabilidade para o seu utilizador, evitando ao máximo a possibilidade de acidentes derivados de quedas relacionadas com o uso de bengalas. A criação de uma bengala mais fiável e segura pode evitar lesões físicas e ainda contribuir psicologicamente para que o utilizador seja menos hesitante e mais confiante quando se move no quotidiano.
As avaliações clínicas e biomecânicas de bengalas e andarilhos confirmam que estes dispositivos podem melhorar o equilíbrio e a mobilidade. No entanto, estes também podem interferir com a capacidade do utilizador para manter o equilíbrio em certas situações, a força e as demandas metabólicas podem ser excessivas. Outras pesquisas e estudos são necessários
2
para identificar e resolver problemas específicos. Tal pesquisa pode levar a projetos e orientações para a utilização mais segura das bengalas e andarilhos melhorados.
1.2
Objetivos da dissertação
A bengala antiqueda que se pretende desenvolver tem como objetivos principais a melhoria da estabilidade durante a locomoção e a criação de um sistema antiqueda, que equilibre a bengala, de forma a evitar a queda do utilizador em situações indoor, tais como hospitais, lares, etc.
Sendo que o desenvolvimento de uma bengala antiqueda indoor é um objetivo prioritário, uma bengala antiqueda que funcione nas condições do exterior é algo desejável, mas não necessariamente uma meta a atingir nesta fase do projeto. Isto é, o desenvolvimento de uma bengala que funcione tanto em ambientes interiores como exteriores será abordado e refletido, contudo, não haverá um protótipo físico nem será estudado intimamente, uma vez que o tempo é limitado e apenas permite a produção e estudo de um protótipo de sistema antiqueda.
A integração no meio industrial, através da Orthos XXI, para além de disponibilizar infraestruturas e recursos para o desenvolvimento do projeto, também contribui com a experiência em sistemas e materiais utilizados na área biomédica, sendo assim uma grande ajuda no desenvolvimento teórico do protótipo.
1.3
Estrutura organizada
A presente dissertação é dividida em seis capítulos com diferentes propósitos, tendo uma pequena introdução no início de cada um. Este subcapítulo destina-se a apresentar a organização e dar uma linha de raciocínio. Apesar de os capítulos terem uma certa ordem, esta não significa que estes foram escritos, realizados ou idealizados cronologicamente como estão apresentados. Contudo, os capítulos encontram-se assim divididos de maneira a facilitar a compreensão da evolução do projeto.
O primeiro capítulo é a Introdução e destina-se ao enquadramento da dissertação, neste é introduzido o tema e projeto proposto, desde da motivação aos objetivos finais. É ainda referido os meios em que o tema foi desenvolvido, como infraestruturas e recursos humanos disponibilizados.
O segundo capítulo incide sobre o estudo do produto a desenvolver, e inicia-se com a apresentação da necessidade de um ponto de vista do utilizador e da forma mais apropriada
para serem utilizadas. Ainda neste capítulo é efetuado um estado de arte do mercado das bengalas, sobre o tipo de bengalas que existem e as suas variáveis, para tal, foi realizada uma pesquisa detalhada na internet, incindindo em patentes relacionadas com bengalas. Este capítulo termina com a apresentação do impacto na saúde derivado do uso de bengalas, com as patologias diagnosticadas a utilizadores de bengalas.
O capítulo três, que deriva da parte final do anterior, surge com fundamentos teóricos sobre o modelo do corpo humano, estudando-se a marcha e os membros inferiores. Neste capítulo é procurado esclarecer o ciclo da marcha humana e de que maneira a bengala se pode relacionar com o passo humano.
No capítulo quatro é dado o conceito da bengala pretendida, primeiramente pela vista dos orientadores que propuseram um conceito de bengala antiqueda. Este subcapítulo funciona basicamente para dar um ponto de vista de um cliente com uma necessidade que procura resposta. Em complemento deste subcapítulo surge o desenvolvimento do produto. Neste capítulo é dado um conceito do produto visto pela equipa de desenvolvimento do projeto, onde são clarificados objetivos e especificações. É neste capítulo que se começam a delinear as soluções para a necessidade apresentada através do recurso a métodos da teoria do projeto mecânico.
O quinto capítulo é o resultado do capítulo quatro, onde foi selecionada a opção mais adequada para o projeto. Este capítulo apresenta a solução final selecionada e o protótipo construído. São definidos neste capítulo os componentes e os processos de produção para obter cada órgão/componente da bengala. É ainda neste capítulo, que se encontram os resultados obtidos do protótipo, onde são apresentadas a falhas detetadas no modelo físico e possíveis melhorias para a segunda versão.
O capítulo seis é um capítulo que apresenta a base do mesmo protótipo concebido no capítulo anterior, mas com algumas melhorias provenientes das falhas encontradas e apontadas no final do capítulo cinco. Neste capítulo são explicadas as soluções determinadas para a melhoria do protótipo, terminando com o subcapítulo de testes que determinará o quão válidas foram as melhorias introduzidas no protótipo.
O capítulo final, para além de conter uma breve conclusão, aborda ainda os trabalhos futuros e possíveis direções a tomar, tendo em consideração que este é um projeto de melhoramento contínuo que, com a melhoria da tecnologia e recursos adequados, este pode tornar-se num projeto com futuro e, assim, com viabilidade de implementação real no mercado.
2.
E
STADO DE
A
RTE
Este capítulo está divido em seis subcapítulos e tem como objetivo a ambientação com o mundo das bengalas, isto é, desde da necessidade existente para o seu uso, passando pelas opções de mercado e o seu impacto na saúde dos utilizadores.
O primeiro subcapítulo identifica os tipos de utilizadores de bengalas e porque necessitam deste auxiliar de mobilidade. Já o segundo subcapítulo, de forma a complementar o primeiro, referencia, brevemente, o modo de utilização da bengala.
Os terceiro e quarto subcapítulos são similares, onde o terceiro apresenta o tipo de bengalas e as respetivas variações que se encontram já comercializadas no mercado, enquanto que, no quarto, são referidas as patentes relacionadas com este tipo de componentes, não estando necessariamente estas bengalas presentes no mercado.
O quinto subcapítulo aborda as consequências do uso de bengala, sejam estas prejudiciais ou benéficas, dando a conhecer as “duas faces da moeda”.
Este capítulo termina com uma reflexão sobre o mercado e de como este evolui em relação às necessidades do seu público-alvo.
2.1
Quem usa e necessita de bengalas
Idosos e pessoas com limitações de mobilidade, afetadas por problemas nos ossos e articulações (como fraturas e artroses), usam bengalas muito regulamente; estas são baratas, leves e fáceis de usar. Estes dispositivos servem como suporte extra, para remover parte do peso da perna problemática. Características como peso, conforto, ergonomia e custo impõem limites que devem ser respeitados em qualquer bengala para que esta sirva como uma ajuda na marcha e não um obstáculo para o utilizador.
Grande parte da população mais idosa usa, ou já usou, um dispositivo auxiliar de marcha, incluindo uma bengala improvisada (isto é, um ramo de árvore, um cajado, ou uma vara de madeira feita à mão.
Um estudo feito na população tailandesa indica que os participantes, usaram um dispositivo auxiliar de locomoção, maioritariamente por iniciativa própria (79%), seguido por uma sugestão de seus familiares ou pessoas chegadas (15%), enquanto que apenas alguns deles usou um dispositivo para caminhar de acordo com a receita médica (6%). Os participantes precisavam do dispositivo entre 3 a 7 dias por semana, especialmente ao caminhar longas
6
distâncias, com a duração média de uso de 1,5 anos (entre 3 a 10 anos de utilização). Além disso, os participantes subjetivamente indicaram que o medo de cair, diminuição do controlo sobre o equilíbrio, e dor músculo-esquelética das costas e membros inferiores foram as razões comuns para o uso de um auxiliar de marcha [1].
Na Figura 2.1 são exemplificados três tipos de muletas, com pequenas diferenças que permitem cumprir requisitos mais específicos. As muletas axilares são indicadas para pacientes com limitações em suportar peso. No entanto, estas são menos estáveis que um andarilho e exigem a aplicação de mais força na parte superior do corpo, exigindo maior coordenação e equilíbrio. As muletas axilares são geralmente usadas por pacientes mais jovens, autónomos, mais ágeis e são ideais para uso em escadas.
As muletas canadianas consistem numa braçadeira empregada logo abaixo do cotovelo, um punho, e um tubo de metal com uma ponta de borracha que estabelece o contacto com o solo. Estas são leves, mas menos restritas e, portanto, não são adequadas para pacientes com pouca estabilidade do tronco e fraca coordenação de membros [2].
As bengalas são usadas para o equilíbrio e estabilidade, mas não oferecem apoio bilateral e, portanto, não podem ser usadas por pacientes com limitações para suportar peso. A bengala pode ser usada quando o paciente requer suporte adicional para o equilíbrio ou se o paciente é capaz de suportar o peso total, mas tem dificuldade devido à apreensão, dor ou fraqueza nos membros inferiores [2].
Figura 2.1 Vários tipos de muletas
As bengalas são frequentemente aconselhadas e prescritas para melhorar a mobilidade das pessoas e ajudá-las a manter o equilíbrio durante a execução de atividades do quotidiano,
ao diminuir a sustentação de peso em uma ou ambas as pernas. Auxiliares de locomoção também podem ajudar a aliviar a dor de uma lesão ou patologia clínica (por exemplo, fratura de quadril, artrite), ou compensar fraqueza ou controlo motor prejudicada da perna (por exemplo, de acidente vascular cerebral), benefícios clínicos adicionais atribuídos ao uso de bengalas ou canadianas incluem a reaquisição de habilidades para andar após o trauma, isto é, são usadas em casos de reabilitação.
Geralmente, as bengalas são recomendadas a pessoas que têm um nível moderado de deficiência, enquanto os andarilhos são prescritos em casos de fraqueza generalizada, extrema incapacidade dos membros inferiores para aguentarem o peso, condições debilitantes, ou fraco controlo do equilíbrio [3].
O uso direto de uma bengala pode reduzir drasticamente a dor no quadril. Por exemplo, assume-se osteoartrose no quadril direito, quando a perna esquerda está no ar (fase de oscilação), o peso que passa através da anca direita é na verdade muito maior do que o peso corporal atual. A gravidade faria com que a pélvis esquerda sem suporte, caísse. A fim de contrariar esta queda da pélvis, os abdutores do quadril direito (principalmente glúteo médio) devem disparar fortemente. Como o centro de gravidade do corpo está mais longe do lado direito do quadril do que os abdutores são, estes devem contrair uma força muito maior do que o peso corporal real. Isto significa que a força sobre o lado direito do quadril durante a fase de apoio é várias vezes maior do que o peso do corpo.
Se uma bengala é segurada na mão esquerda, a força de contração do músculo glúteo médio direito (para manter o nível da pélvis) é extremamente reduzido. Assim, uma bengala em linha reta no lado oposto pode significar mais de 50% de redução de fadiga na articulação do quadril afetado e levar a uma diminuição dramática na dor e um aumento na função [2].
2.2
Modo de utilização das bengalas
Como referido anteriormente, há diferentes níveis de dificuldade de locomoção e estabilidade, sendo que pessoas com mais dificuldade usam o andarilho e pessoas com maior controlo e menos dificuldade utilizam uma simples bengala.
A Figura 2.2, abaixo indicada, contém uma simples ilustração para a utilização correta da bengala. Para um uso correto deste tipo de dispositivo é preciso primeiro escolher bem a altura da bengala, em função da altura do utilizador. A altura aconselhável é definida quando o utilizador se encontra de pé com os braços descontraídos, o punho da bengala deve estar à altura
8
do pulso, isto para que quando em utilização o braço do utilizador faça um ângulo de aproximadamente 15º, e mantenha as costas numa postura correta.
Figura 2.2 Demonstração para um uso correto da bengala [4]
Para o uso e ajuste apropriado, a parte superior do punho da bengala deve estar ao nível do punho, quando o paciente é colocado na posição vertical com o braço relaxado ao seu lado. A bengala segurada no braço oposto ao membro inferior lesionado. Durante a deambulação, a bengala é movida para frente simultaneamente com o membro inferior afetado, o que ajuda a promover o padrão de marcha recíproca e balanço do braço [2].
Para a maioria das lesões, a bengala deve ser utilizada no lado oposto à lesão. Ao caminhar com a bengala desta forma, ajuda a exercitar os músculos em recuperação (no caso de reabilitação), permitindo ainda a redução de peso sobre a lesão. Durante a passada, a bengala deve também entrar em contacto com o chão ao mesmo tempo que a perna afetada.
2.3
Mercado das bengalas
As bengalas mais comuns consistem em apenas uma haste com um suporte em contacto com o solo. Apesar de haver bengalas de madeira disponíveis, na Figura 2.3 estão representadas três tipos de bengalas de alumínio, material leve e resistente, que são regularmente usadas: a bengala de alumínio comum, que é usada por pessoas que apenas precisam de um pequeno auxílio na marcha; bengala com punho em T, para utilizadores com fraqueza nas mãos, e se deparam com maior dificuldade a controlar e a usar a bengala; e as bengalas com três ou quatro pernas, que são usadas por pacientes com equilíbrio fraco ou limitação de um lado do corpo.
Figura 2.3 Variáveis de bengalas de alumínio convencionais
Existem também bengalas mais desenvolvidas, com pequenas bases que possuem mais do que dois pontos de apoio e articulações que simulam o joelho e tornozelo. Na Figura 2.4 são ilustrados esses recursos, que permitem que a ação de caminhar seja mais natural possível. No entanto, todas as bengalas têm problemas com a aderência a superfícies mais irregulares e/ou escorregadias. Apesar do apoio que estas oferecem, não é o suficiente para ajudar no desequilíbrio de um utilizador, resultando na queda e possíveis ferimentos derivados do acidente.
Figura 2.4 Bengala que possui juntas que simulam articulações humanas: a) base que simula tornozelo; b) junta que simula joelho a meio da haste [5].
A maioria das bengalas só contêm uma ponta de borracha para proporcionar uma ligação estável entre a bengala e chão ou outra superfície de suporte subjacente. Na prática, no entanto, verificou-se que as pontas de borracha convencionais possuem sérias limitações que frequentemente resultam em danos graves para o utilizador [6].
A necessidade de uma maior estabilidade foi procurada no desenvolvimento da base das bengalas. A utilização de materiais com uma maior adesão é o começo, mas ainda se encontra abaixo do nível desejado.
Na Figura 2.5 estão representados os diferentes suportes que se encontram no mercado, foram usadas diferentes bases, como a "Hurry Cane" que utiliza um tripé ou a "Magic Cane",
10
que tem quatro pés na sua base. A "Gravity Cane" levou a estabilidade do seu apoio ainda mais longe, a base tem o apoio central mais quatro que funcionam ao longo da locomoção, ou seja, estando a vara parada, 90 ° com o piso, esta encontra-se 5 pontos (o apoio central mais quatro). Durante a ação de andar, o utilizador muda o ângulo da haste com o chão, colocando o bastão em três pés (central mais dois extras). A "Gravity Cane " não foi a única a pensar em termos de estabilidade durante a locomoção, visto que as duas outras marcas referidas têm juntas, na bengala, que simulam a operação da perna, uma junta na base da vara que é equivalente ao tornozelo e uma outra no meio da cana que é equivalente ao joelho. Estas articulações permitem a marcha, com o auxílio de bengala, ser mais fácil e mais confortável, porque promove um passo mais natural.
Figura 2.5 Diferentes tipos de suportes: a) suporte simples; b) tripé; c) base de três apoios; d) base de quatro apoios; e) base com sistema de cinco, adaptado de suportes [7-11]
Todas as bengalas mais recentes têm um mecanismo para ajustar a sua altura. É algo importante e óbvio para que o utilizador possa ter uma postura correta ao apoiar-se na bengala, ao invés de caminhar constantemente com as costas curvadas. Se a bengala for muito alta o utilizador será incapaz de se apoiar sobre a mesma. Ainda sobre o tema da confortabilidade, a "Gravity Cane" usa um punho ergonómico, a mão apoia no punho perfeitamente, quase como se a bengala desse a mão ao utilizador. A bengala não deve ser um fardo, mas uma mais-valia
para a saúde, a falta de conforto leva a maus hábitos e, consequentemente, pode levar a lesões. No caso da bengala, lesões nas costas devido a má postura ou à mão ou no pulso devido a um pulso mal definido são as mais comuns.
Uma vez que uma grande percentagem da população idosa utiliza bengalas, têm sido cada vez mais encontrados recursos extras, são elementos leves, pequenos e com mínima necessidade de manutenção. Lanternas, alarmes sonoros e até mesmo pequenas luzes de sinalização para identificar a presença do utilizador, se este caminhar à noite perto da estrada, são alguns exemplos de aplicações extra que se podem encontrar nas bengalas.
Além das características extras referidas anteriormente, a "Slik Stik" tem também um íman para que a pessoa possa apanhar objetos de metal caídos no chão, tais como chaves de casa, sem o grande esforço de se agachar, o que para certas pessoas pode significar um grande obstáculo. A funcionalidade extra mais original desta bengala consiste na bateria recarregável manualmente, imagine-se, por exemplo, que a lanterna fica sem energia, o utilziador pode facilmente recarregá-la em questão de minutos.
Congelamento de marcha (Freezing of gait ou FOG) continua a ser um dos aspetos mais comuns debilitantes da doença de Parkinson. Esta tem sido associada a lesões e quedas e é um fator principal que contribui para reduzir a qualidade de vida. FOG provoca a cessação temporária de passadas eficazes e surge uma sensação de "pés colados ao chão", isto ocorre quando as pessoas se voltam (63%), iniciam a caminhada (23%), andam através de espaços estreitos (12%) e chegam a destinos (9%). O feixe de laser é uma sugestão visual livre de obstáculos, o que pode permitir aos doentes de Parkinson e outros a quebrar episódios de FOG e aumentar o comprimento da passada [12].
A Figura 2.6 representa um outro exemplo de bengala protótipo muito específica, que consiste na implementação de um sonar na bengala para detetar objetos no caminho do utilizador cego. Quando há deteção de um obstáculo no caminho do utilizador a bengala vai vibrar, alertando o usuário para fazer desvio na sua rota.
12
Há ainda protótipos de bengalas mais futuristas com GPS e display interativo para rastrear idosos que se podem perder. Desta forma, familiares podem encontrá-los facilmente através do telemóvel, por exemplo. O próprio monitor, usando GPS, vai ajudar o idoso apontando o caminho para locais pré-definidos, como a casa ou residência de alguém próximo.
Para concluir este subcapítulo a Tabela 2.1 reúne as marcas das bengalas referidas anteriormente, e organiza-as em três classes, de acordo com a estabilidade da base, conforto e funcionalidades extras presentes na bengala.
Tabela 2.1 Resumo e comparação das diferentes bengalas do mercado Marca/ Conceito Estabilidade
da Base Conforto Características extra
Hurry Cane Base tripé
Articulações de joelho e tornozelo,
altura ajustável
Não disponível (N.D.)
Slik-Stik 1 suporte N.D. Lanterna, Íman, Alarme dínamo
Magic Cane Base 4 suportes
Articulação no tornozelo altura ajustável
Lanterna
Gravity Cane Base sistema de
5 suportes Punho ergonómico N.D.
Laser Cane 1 suporte N.D. Laser para doentes com Parkinson
Fujitsu Cane 1 suporte N.D. GPS, monitor interativo
Bengala com sonar para invisuais
1 suporte N.D. Sonar
2.4
Patentes existentes sobre bengalas
É possível encontrar ideias analisando as patentes aplicadas a bengalas, no entanto, a maioria destas ainda não foram aplicadas no mercado. Destas patentes aparecem ideias de bengalas com funcionalidades para além do conceito original, como bengalas que utilizam sonar para detetar objetos, útil para pessoas com incapacidade visual. Existem ainda bengalas que trocam o suporte de haste e ponta convencional por um sistema de rodas, o que precave o utilizador de carregar o peso da bengala a cada passo, deste modo o utilizador está sempre
apoiado na bengala, exercitando apenas força no sentido da marcha, sendo o deslocamento feito pela rotação das rodas, evitando a força necessária para suspender a bengala no ar a cada passo. Muitas pessoas que usam uma bengala não podem ficar de pé por longos períodos de tempo. No entanto, a bengala convencional não vai apoiar adequadamente uma pessoa que deseja inclinar-se sobre a bengala para reduzir a carga sobre os pés ou costas. Embora uma bengala “walkertype” tenha, geralmente, quatro pernas que podem suportar o peso de uma pessoa, é robusta e mais complicada de usar. Por conseguinte, existe atualmente a necessidade do utilizador poder inclinar-se de forma segura sobre uma bengala, quando em repouso [14].
Existem várias patentes que pensaram para além da locomoção, e consideraram também o caso em que o utilizador se cansa e pode precisar de parar por breves momentos. A bengala tem a possibilidade de se transformar num tripé, onde o utilizador se pode apoiar, enquanto recupera o “fôlego”.
Na Figura 2.7 estão representadas duas patentes em que uma bengala de suporte se transforma num tripé para garantir maior estabilidade e equilíbrio. Desta forma estes bastões são capazes de realizar a tarefa a que se refere o parágrafo anterior, apesar de as duas patentes terem algumas diferenças nos seus mecanismos, respetivamente, o comprimento das hastes secundárias, bem como a altura do centro de gravidade depois de ativado o sistema.
Na patente norte-americana a parte inferior da haste é formada por três hastes menores, que quando necessário afastam-se do eixo central, formando um tripé. A patente chinesa funciona de maneira diferente, uma vez que existe uma haste principal e depois duas a três hastes secundárias que se libertam quando necessárias, para formar um tripé; estas hastes são também maiores e o seu ponto de ligação à bengala é imediatamente abaixo do punho, fazendo com que o centro de massa da bengala chinesa seja mais baixo do que a da norte-americana.
Figura 2.7 Ilustrações de patentes sobre tripés: a) patente norte-americana (US 9,161,595 B2); b) patente chinesa (CN104273812A) [14,15].
14
A patente norte-americana (US 9.016.297 B2), ilustrada abaixo, na Figura 2.8, designa um dispositivo de suporte de apoio móvel. A invenção refere-se a uma bengala de quatro rodas (quad-wheeled) e quatro pernas (quad-legged) com rodas retráteis, punhos ajustáveis e estruturas de apoio rígidas que proporciona uma travagem à prova de falhas [16].
Esta invenção tenta reduzir o esforço do utilizador, em vez de elevar o peso todo do dispositivo, o utilizador só tem de empurrar apoiando-se sobre este. No entanto, o uso traz outros problemas, como, por exemplo, a impossibilidade usar este sistema num declive, ou seja, em vez de uma melhoria teríamos um aumento do perigo e risco de queda. Mesmo em situações normais, o utilizador pode perder o controlo da orientação de rodas e escorregar. Para evitar esta situação, as rodas são retráteis, dando lugar a uma bengala quad-legged que irá melhorar a estabilidade e diminuir o risco de escorregamento.
Figura 2.8 Patente norte-americana (US 9.016.297 B2) ”Quad-legged” [16]
A patente refere ainda ser capaz de prevenir quedas, uma vez que também possui quatro pernas extras (quad legged). Como as rodas são retráteis, é dado lugar às quatro extensões que formam assim uma base maior, oferecendo um apoio maior, em qualquer direção.
2.5
Impacto na saúde derivado do uso de bengalas
Dispositivos auxiliares de mobilidade têm um efeito físico e psicológico direto na saúde dos usuários. Estes auxiliares de locomoção podem aumentar a confiança e sentimento de segurança, que, por sua vez, pode aumentar os níveis de atividade e independência dos utilizadores mais idosos ou em reabilitação. Ao permitir que os usuários se levantem e andem, o uso de dispositivos auxiliares de locomoção também pode levar a benefícios fisiológicos,
como a prevenção de osteoporose e descondicionamento cardiorrespiratório, a melhoria da circulação sanguínea e da função renal. Um benefício psicossocial adicional é que o dispositivo auxiliar de mobilidade pode tornar possível que adultos idosos ou pessoas com outras deficiências possam manter as habilidades profissionais.
Estudos mostram que 30% a 50% das pessoas abandonam o seu dispositivo logo após o receberem. Além disso, pesquisas indicam que quase metade dos problemas relatados, associados com bengalas ou andarilhos citam, queda sob a categoria de "difícil acesso e/ou de risco de usar." Essas altas taxas de desuso e/ou insatisfação levantam questões sobre a eficácia dos dispositivos [3].
Problemas relatados na literatura clínica incluem desconforto, dor e lesão. As tensões repetitivas nas articulações das extremidades superiores resultantes da utilização crónica de bengala ou andarilho podem contribuir para patologias como a tendinite, osteoartrite e síndrome do túnel cárpico. Pessoas com artrite, que regularmente usam bengalas ou andarilhos para reduzir o peso que carregam nas pernas, estão particularmente em alto risco de desenvolver a inflamação das articulações resultante de forças repetitivas.
Apoio do corpo pelos membros superiores pode até mesmo levar a fraturas, como evidenciado por um relato de caso de fratura da omoplata por fadiga que ocorreu com o uso intensivo de bengala após uma substituição total do joelho. Também tem sido sugerido que a seleção de um auxiliar de mobilidade impróprio pode contribuir para o desenvolvimento de uma deficiência devido às forças potencialmente excessivas colocadas no corpo [3].
A relação entre o uso de auxiliares de mobilidade e o risco de quedas é menos claro. Vários estudos demonstram que o uso de um auxiliar de mobilidade é um preditor potencial de aumento do risco de queda em idosos ou está associado a quedas e lesões relacionadas.
Embora alguns tenham sugerido que o uso de um auxiliar de mobilidade pode ser simplesmente um indicador de equilíbrio deficiente, declínio funcional e/ou risco de queda, outros têm argumentado que o uso dos dispositivos pode realmente aumentar o risco de queda, causando tropeções ou por interrupção do controlo de balanço através de outros mecanismos (por exemplo, por competição para recursos de atenção) [3].
Dispositivos auxiliares de locomoção também contribuem para a estabilidade biomecânica ao permitirem forças de reação estabilizadoras geradas nas mãos. Ao ajudar a controlar o movimento do centro de massa do corpo, estas forças de reação podem ajudar os usuários a evitar a instabilidade a recuperar o equilíbrio quando ocorre a instabilidade (Figura 2.9). Por exemplo, em marcha hemiparética, estas forças podem reduzir a instabilidade lateral, contribuindo para transferir o centro de massa para o membro são. A utilização de uma bengala
16
ou andarilho para rapidamente gerar forças de estabilização em reação a perturbações externas aplicadas no equilíbrio, foi recentemente demonstrada em adultos jovens saudáveis.
Figura 2.9 Forças de estabilização geradas para o equilibrio na marcha [17]
Sendo FCV e FCH as forças reativas vertical e horizontal, respetivamente, aplicadas na bengala e FV e FH as forças de reação aplicadas sobre a perna contrária à bengala, neste caso a perna problemática, temos que estas quatro forças se anulam entre si. A distância horizontal entre estes dois pontos é a base de suporte, sendo o centro de massa encontrado dentro desta distância, e normalmente na linha vertical da anca.
A redução na carga dos membros inferiores é um benefício importante do uso da bengala e andarilho, em pacientes com fraqueza, ferimentos ou dor nas articulações nos membros inferiores. Apoiando uma parte do peso do corpo num dispositivo auxiliar de mobilidade pode reduzir a força de reação do solo vertical exercida sobre o pé de apoio numa situação estática.
Infelizmente, a diminuição da carga do membro não assegura necessariamente uma redução na carga da articulação da anca, que é muitas vezes o objetivo clínico (por exemplo, para reduzir a dor articular). Isto, porque a carga sobre a articulação da anca é fortemente influenciada pela catividade do músculo anca-abdutor, e o nível requerido de atividade do abdutor é dependente do lado do corpo no qual a bengala é usada.
Segurar a bengala no lado ipsilateral do membro afetado pode realmente aumentar a força sobre a articulação do quadril afetado, enquanto que ao segurar contra lateralmente
supostamente reduz essa força na anca até 60%, em comparação com a carga articular que ocorre na marcha sem assistência normal.
O uso de dispositivos auxiliares de marcha pode beneficiar pacientes que têm dificuldade em iniciar ou encerrar o movimento por causa de dor, fraqueza muscular, ou controlo da função motora nos membros inferiores. Também pode ajudar o paciente a alcançar um movimento do corpo mais suave e mais eficiente, durante a marcha.
Estudos indicam que os pacientes com episódios de AVC confiavam no membro são para gerar propulsão e usavam a bengala para desacelerar o membro afetado, enquanto os pacientes com dor no quadril tendiam a usar a bengala mais para reduzir as forças conjuntas necessárias ao empurrar para a frente com o membro doloroso. O estudo conclui ainda que é aparente que a capacidade de utilizar bengala para gerar propulsão substancial e força de travagem é fortemente dependente da capacidade do utilizadors para segurar o dispositivo num ângulo adequado.
2.6
Reflexão do estado de arte
Depois de uma observação do mercado, das patentes existentes e do impacto na saúde é necessário tecer algumas conclusões sobre como o mercado respondeu às necessidades do utilizador.
Do subcapítulo anterior é possível observar que a utilização da bengala pode ter resultados imediatos no psicológico do utilizador, dando-lhe mais confiança e encorajamento para ser independente de auxílio humano, tal como enfermeiras ou outros profissionais de saúde. Devido a este fator psicológico os auxiliares de marcha são usados regularmente em reabilitação de patologias cerebrais ou lesões motoras. Contudo, isto nem sempre se sucede, uma vez que há utilizadores que abandonam este dispositivo porque receiam a queda devido à utilização de bengala. As bengalas convencionais apesar de ajudarem na locomoção do utilizador, não impedem de forma alguma a queda deste. Existem bengalas que, de facto, apresentam maior estabilidade durante a marcha, mas não representam uma ajuda no momento de grande desequilíbrio, evitando a queda.
O mercado tem vindo a fazer evoluir as bases das bengalas, de modo a torná-las mais estáveis. Estas apresentam mais pontos de apoio e juntas que facilitam o seu uso, fazendo com que a marcha com bengala seja mais natural.
São também observadas lesões no membro superior, como fraturas e tendinites devido ao uso crónico de bengalas. Em resposta o mercado tem tornado as bengalas mais ergonómicas,
18
desde as juntas referidas no parágrafo anterior, para tornar a passada mais natural, a punhos moldados para encaixarem perfeitamente à palma da mão humana. Estas evoluções procuram assim diminuir o stress nas articulações do membro superior.
Também são encontradas evoluções em bengalas para problemas mais específicos como pacientes invisuais ou com Parkinson. A evolução constante da tecnologia mais leve e versátil, permite o melhoramento em bengalas que eram impossíveis décadas atrás, sendo o uso de sonares em bengalas para invisuais o exemplo mais evidente.
Em resumo o mercado tem procurado soluções para os problemas que a bengala encontra. Contudo, apesar de este ser um produto muito usado pela população mundial, as suas limitações como peso e preço fazem que a evolução seja mais morosa e simplificada o quanto possível.
3.
M
ODELO HUMANO E A MARCHA
Neste capítulo, divido em dois subcapítulos, são retratados os aspetos do modelo humano, mais concretamente o membro inferior, e é feito um pequeno estudo sobre a marcha humana.
No primeiro subcapítulo é falado da anatomia do membro inferior do corpo humano, e da maneira que este se move, destacando-se as articulações presentes.
O segundo subcapítulo aborda a marcha humana e a importância das juntas, ao observar--se que o mecanismo do passo humano podeobservar--se adaptar à bengala de modo a que esta seja mais apropriada para o utilizador, tentando-se diminuir os aspetos negativos e os riscos de uso deste auxiliar de marcha.
3.1
O membro inferior
O membro ou extremidade inferior é responsável pelo sustento do peso do corpo e pela sua locomoção, permitindo um balanço uniforme (movimentar-se para qualquer lado) e equilibrado do corpo. O membro inferior conecta-se com o tronco através da cintura pélvica, que é formada pela articulação da anca, posicionado em cada lado da cintura pélvica [18].
O membro inferior é subdividido em quatro partes essenciais à sua caracterização, sendo elas a anca, a coxa, a perna e o pé. A anca é a proeminência lateral da pelve, e representa a parte desde a crista ilíaca até ao 1/3 superior da coxa, que conecta o esqueleto do membro inferior à coluna vertebral. A coxa, refere-se à porção entre a anca e o joelho, e é constituída pelo fémur (osso). A perna, trata-se da parte entre o joelho e o tornozelo, e é constituída por dois ossos, a tíbia e o perónio que permitem a ligação entre o joelho e o tornozelo. O pé, é a parte distal do membro, e contém os ossos do tarso, metatarso e as falanges, responsáveis pelo vínculo do tornozelo e do pé [18].
O joelho é uma articulação que permite os movimentos de flexão e extensão, e são movimentos que derivam do deslizamento, rolamento e rotação sobre um eixo vertical. Contudo, mesmo com toda a complexidade da estrutura desta articulação, o joelho vê a sua função ser prejudicada quando é demasiadamente prolongada.
A estabilidade da articulação do joelho depende da força e das ações dos músculos adjacentes, e dos seus tendões e ligamentos que conectam com o fémur e a tíbia. Os principais estabilizadores do joelho são os ligamentos colateral interno e externo (medial e lateral), os
20
ligamentos cruzados do joelho posterior e anterior e o ligamento rotuliano, que vem do quadricípite e envolve-se na rótula e insere-se na tíbia [18].
Na Figura 3.1 estão representados os planos de referência que são utlizados quando utilizados termos anatómicos do corpo humano. Por convenção, os termos anatómicos que descrevem as relações entre diferentes partes do corpo baseiam-se na postura, designada posição anatómica, em que o indivíduo se encontra ereto, de pés juntos e os braços baixados ao lado do corpo, com as palmas das mãos voltadas para a frente.
Figura 3.1 Planos de referência Sagital, Frontal e Inferior[12].
Os movimentos que ocorrem no plano sagital são os mais estudados, melhor compreendidos e mais precisamente reproduzidos.
O conhecimento dos termos ilustrados na Figura 3.2 é fundamental aquando do estudo do movimento das juntas, pois a maioria das juntas move-se apenas em um ou dois dos três planos. Os movimentos possíveis são:
I. Flexão e extensão que ocorrem no plano sagital: no calcanhar estes termos designam-se dorsiflexão e flexão plantar, respetivamente;
II. Abdução e adução são movimentos que se verificam no plano frontal;
III. Rotação interna e externa que ocorrem no plano transversal; podem também designar-se rotação medial e lateral, respetivamente.
Figura 3.2 Movimentos das articulações do membro inferior do corpo humano [12].
A flexão do joelho na fase de apoio desloca o centro de gravidade no sentido descendente durante a fase de apoio. Apesar de o joelho começar o movimento totalmente alongado, vai fletindo ao longo da fase de apoio até atingir 15º. Durante o ciclo de marcha é comum considerar duas vagas de movimento para o joelho, que começa por se encontrar em relativa extensão e progride para a flexão até regressar ao ponto inicial.
3.2
Análise da marcha
Caminhar é a ação pela qual o corpo se desloca de um ponto para o outro. Este método, complexo, envolve o cérebro, a coluna vertebral, os nervos periféricos, músculos, ossos e articulações, sendo um processo de locomoção muitíssimo eficaz, em termos energéticos.
A marcha humana é uma forma singular de deslocamento na natureza e, apesar de haverem outras espécies bípedes (ursos, primatas, marsupiais), é particularmente eficiente, funcional e, quando executada por indivíduos saudáveis, é simples e grandemente adaptativa. A marcha relaciona a força muscular, as rotações das diferentes articulações e o emprego de forças no corpo humano que atuam no sistema esqueletal com distintos graus de liberdade. Como tal, o corpo humano pode ser estimado uma estrutura biomecânica que inclui elementos como ossos, articulações ou músculos.
As delimitações à marcha saudável reduzem a qualidade de vida e resultam dos mais diversos motivos como doenças neurológicas, tais como a doença de Parkinson ou esclerose
22
múltipla, acidentes vasculares cerebrais, deteriorações da espinal medula ou doenças neuromusculares. Estas levam a alterações dos mecanismos motores central e periférico, e podem emergir em anomalias específicas ou aleatórias nos padrões da marcha humana.
O uso de dispositivos de ajuda de marcha não é direcionado para corrigir a deficiência, mas para equilibrar as delimitações impostas através de meios alternativos, ou alterando a tarefa ou o ambiente de modo a executar o seu objetivo. No entanto, a marcha apenas é considerada completamente praticável quando o sujeito tem a aptidão de manter um padrão de marcha firme ao mover-se num envolvente complexo e em mudança e de se adaptar aos estímulos e exigências que surgem [19].
A abordagem de treino locomotor repetitivo é mais recente. Nesta o doente é orientado de modo a praticar movimentações complexas, assim que seja fisicamente possível.
O movimento humano é certificado em grande parte pela manutenção de uma postura corporal estável. Graças ao seu específico movimento bípede, é possibilitada aos humanos a correta manutenção do corpo. Esta circunstância torna-se desafiante para o ser humano, pois sensivelmente 2/3 da massa corporal deve ser equilibrada sobre os membros inferiores, a um distanciamento do solo de cerca 2/3 da altura do corpo, o que incrementa uma base de suporte estreita. Contudo, o corpo humano tem o equilíbrio suficiente para orientar a maior parte dos movimentos efetuados. Porém, com o aumento da idade (idosos) o controlo postural torna-se mais custoso de se manter, e o equilíbrio humano passa a ser simplesmente mais abalável, o que provoca quedas em idosos, reconhecidas como uma grave questão de saúde pública [20].
Todas as pessoas têm um modo próprio de caminhar, ao ponto de muitas vezes ser possível reconhecer essa pessoa através da forma como caminha. Pessoas altas e magras caminham de forma diferente de pessoas mais baixas e robustas, e caminhar de sapatos ou sapatilhas influencia o modo de andar. Apesar de todas estas particularidades, existem caraterísticas transversais e fundamentais para a locomoção de qualquer indivíduo [19].
Durante a deslocação a posição e a aceleração do centro de massa do corpo mudam. O centro de massa inicia o período atrás do pé de apoio, e a sua velocidade vai reduzindo ao deslocar-se por cima do pé de apoio e a passar para a sua dianteira. A partir deste momento a sua velocidade recomeça a aumentar.
O centro de massa também oscila lateralmente durante o tempo em que o corpo se ampara num único membro. O deslocamento máximo sucede na direção do membro de apoio, pouco depois do apoio médio. De seguida recomeça-se a movimentação na direção contrária. O deslocamento lateral aumenta com a ampliação do tamanho da passada, existindo proporção entre os dois lados do corpo aquando da caminhada saudável. Em termos de eficiência
energética, o deslocamento vertical é mais significativo que o lateral. Apesar do centro de massa não se conservar numa posição fixa durante o ciclo de marcha, situa-se sempre na vizinhança da pélvis.
A absorção dos impactos e a conservação de energia são aspetos importantes na eficiência da marcha humana. Quando os movimentos naturais das articulações são alterados ou existe um défice de força muscular as forças exercidas nas articulações aumentam, o que pode levar a lesões e patologias. Durante a fase inicial de apoio cerca de 60% do peso corporal é carregado abruptamente para o membro ipsilateral. Esse impacto é atenuado por cada uma das extremidades inferiores [19].
A marcha saudável é uma tarefa difícil que solicita a interação e incorporação de funções fisiológicas como o alinhamento ósseo, a atividade neuromuscular, a variação de amplitude das movimentações das diferentes articulações, a dinâmica de fluidos corporais e a atividade de diferentes órgãos, envolvendo 206 ossos e 636 músculos.
3.2.1 O ciclo da Marcha
O ciclo de marcha é definido como o intervalo de tempo entre dois acontecimentos consecutivos de um dos eventos repetitivos da marcha. Estes eventos temporais que se repetem de uma forma sistemática definem as distintas fases do ciclo de marcha, que são definidas relativamente a situações chave do entrar em contato com o solo ou o separar do solo. Por convenção, o evento selecionado para apurar o intervalo que define um ciclo de marcha é o momento em que ocorre o primeiro contato do calcanhar com o solo (contato inicial). Se selecionado o pé direito, o ciclo irá continuar até que o pé direito retorne a tocar o chão. Numa observação da marcha é indispensável a identificação dos vários episódios do ciclo de marcha. A definição destes eventos e de outros termos importantes é um ponto de partida essencial para o estudo de, aproximadamente, todos os aspetos da marcha [17].
O ciclo da marcha está separado em dois períodos para cada pé, a fase de apoio, ou fase postural, e a fase de balanço, representado na Figura 3.3. As fases do ciclo de marcha correspondem ao tempo entre dois eventos iguais no ciclo do caminhar. A fase de apoio refere--se ao intervalo de tempo em que o pé está no solo, principiando na ocasião em que uma extremidade contacta com o mesmo (heel contact). Esta fase representa cerca de 58 a 61% do ciclo de marcha. A fase de balanço corresponde ao período em que o pé está no ar, iniciando quando o membro inferior descola do solo e encerra antes do seu ataque ao solo, e constitui os restantes 39 a 42% do tempo de ciclo de marcha. O duplo apoio é o período de tempo em que
24
os dois os pés estão em contacto com o solo. Os dois períodos de apoio duplo do membro (que acontecem no início e no final da fase de apoio) representam cerca de 16 a 22% do ciclo de marcha. A mudança entre as fases de apoio e balanço é desencadeada por atributos aferentes (conduzem um impulso a um centro nervoso) originários da área da anca, quando esta faz a extensão, próxima do final da fase de apoio [18].
Com o aumento da velocidade de marcha, os períodos de apoio duplo tornam-se frações cada vez inferiores do ciclo de marcha, até que, na corrida, surgem períodos em que nenhum dos apoios está em contacto com o solo.
O ciclo da marcha pode ser descrito por fases distintas, como o contato inicial, a resposta à carga, o apoio médio, o apoio terminal, pré-balanço, balanço inicial, balanço médio e balanço terminal. A fase de apoio é o período que consiste nas primeiras cinco fases, e as restantes três posições correspondem ao período de balanço [18].
Figura 3.3 Ciclo da marcha [20]
Do mesmo modo, é possível analisar na Figura 3.4, numa estrutura diferente, as percentagens absolutas correspondentes às duas fases do ciclo de marcha, bem como a explicação de cada passo.
Figura 3.4 Separação das duas fases absolutas do ciclo de marcha [17]
Segue-se uma pequena descrição dos acontecimentos da fase apoio, que por sua vez se subdivide em cinco fases [17]:
I. Contacto inicial (heel contact): Momento inicial do ciclo da marcha, e retrata o instante em que uma extremidade do pé contacta com o solo (calcanhar).
II. Resposta à carga (foot-flat): fase em que a planta do pé toca no chão, e ocorre apoio duplo, por breves momentos.
III. Apoio médio (midstance): o peso corporal está diretamente sobre o membro apoiado no solo. Esta fase ocorre quando o membro lateral passa pelo membro em apoio, que por sua vez se encontra em balanço médio.
IV. Apoio Terminal (heel-off): o calcanhar do pé em apoio começa a elevar-se, perdendo o contacto total com o solo, e a sua propulsão é iniciada.
V. Pré-balanço (toe-off): fase de apoio em que o pé se “descola” do solo e ocorre o contato inicial do pé oposto. A partir daqui dá-se início à fase de balanço. A fase de balanço subdivide-se em três fases, sendo as seguintes [17]:
I. Balanço inicial (aceleração): inicia quando o pé de referência deixa o solo e continua até o ponto em que a extremidade oscilante fica alinhada com o corpo. II. Balanço médio: ocorre quando o pé de balanço tem apenas um ponto de
extremidade a tocar no chão, e a perna passa pelo membro de apoio, encontrando-se anterior ao corpo.
26
III. Balanço final (desaceleração): nesta fase a tíbia passa para além da direção vertical e o joelho estende para o ataque ao solo, dando início a um novo ciclo.
3.2.2 Importância da ligação Joelho-pé
Uma articulação advém quando subsiste contato entre ossos. As suas funções são possibilitar ou inibir o movimento numa dada direção e transferir forças entre os ossos. De uma forma geral, as juntas classificam-se em três essenciais tipos de articulações [18]:
I. Sinartroses: articulações fixas
II. Anfiartroses: articulações de reduzida mobilidade
III. Diartroses ou sinoviais, as quais permitem movimento significativo e nas quais os ossos se encontram interligados por meio de ligamentos.
Uma vez que, por norma, a análise da marcha centra-se em movimentos relativamente grandes, a explicação subsequente lida apenas com juntas sinoviais. Numa junta sinovial, as extremidades dos ossos são recobertas por cartilagem e a junta é rodeada por uma cápsula sinovial, a qual segrega o fluido sinovial lubrificante.
Durante o passo humano o joelho flete duas vezes, uma em cada fase e isto ocorre sempre na marcha habitual. No princípio da fase de apoio o joelho flete rapidamente (fase de resposta à carga), gerando uma pequena onda de flexão porque consecutivamente passa a extensão até o final da fase de apoio. Em média o ângulo de flexão é de sensivelmente 15º. Com esta flexão do joelho, no início da fase de apoio, o membro é restringido e reduz a amplitude da trajetória do centro de gravidade do corpo no plano sagital, tal como o consumo de energia. Este fenómeno possibilita um acerto do comprimento do membro inferior em apoio, de forma a preservar o mais constante possível a altura da anca.
Outras determinantes incluem os mecanismos do joelho e do pé, tendo uma correspondência entre os dois, que atuam no sentido de reduzir o deslocamento do centro de gravidade. Com essa relação, durante a fase de apoio, os dois arcos de rotação chegam a intersetar. O primeiro arco ocorre quando o calcanhar estabelece contacto com o solo (contacto inicial), e é descrito pela rotação do tornozelo em contorno do raio composto pelo calcanhar – dorsiflexão. Já o segundo arco é formado pela rotação do pé em torno do centro criado na parte da frente do pé, em associação à ascensão do calcanhar, ou plantiflexão. A plantiflexão principia antes do pré-balanço em simultaneidade com o início da flexão do joelho. A questão é suavizar o percurso do centro de gravidade do plano de progressão, no ponto em que os seus arcos se cruzam (pontos de inflexão) [18].
7.
C
ONCLUSÕES E
T
RABALHOS FUTUROS
Neste capítulo são apresentadas as principais conclusões que foram possíveis retirar ao longo da realização deste trabalho, bem como, as sugestões de trabalhos futuros com vista à melhoria efetiva do mesmo.
7.1
Conclusões
Nesta dissertação foi construído um protótipo funcional para testar a viabilidade de uma solução, pelo que foi dada mais atenção à funcionalidade dos elementos. Em trabalhos futuros que deem continuidade a este projeto será necessária uma revisão da ergonomia e dos materiais usados em todos os elementos.
Devido à falta de recursos e tempo, nem todos os objetivos desejados puderam ser concretizados e foi atribuída prioridade aqueles de maior importância. Este projeto teve como maior objetivo a obtenção de uma solução para a ligação da bengala ao solo, desprezando assim algumas características importantes para a saúde e ergonomia referidas nesta dissertação, características como as juntas que simulam as articulações humanas, adição de punho ergonómico, altura das bengalas (regulação) e funcionalidades extra como a lanterna.
O facto de não se ter atingido os valores teóricos calculados e pretendidos, pode-se considerar, ainda assim, que o verdadeiro objetivo foi alcançado, que era desenvolver uma bengala antiqueda, apesar dos dois primeiros protótipos serem ainda muito primitivos e necessitarem de muita melhoria e evolução. Sendo este um projeto que pretende desenvolver um novo conceito é natural que se encontre bastantes obstáculos nos primeiros modelos, pois existe grande diferença entre um conceito teórico e o respetivo protótipo. Algumas variáveis e obstáculos são apenas detetados na prática, daí serem necessárias várias versões de protótipos até à versão final. Nesta dissertação não foi possível obter o produto final, uma vez que não houve tempo suficiente, contudo o projeto terá continuidade na Universidade do Minho.
7.2
Trabalhos futuros
Projetos e versões futuras sobre este sistema e conceito de bengala antiqueda terão como ponto de partida a melhoria e otimização do sistema de fixação e a adição das funcionalidades extras, optadas por serem omissas neste primeiro protótipo.
