TÍTULO: DESENVOLVIMENTO DE ÓRTESE TORNOZELO-PÉ PERSONALIZADA UTILIZANDO TECNOLOGIA DE IMPRESSÃO 3D E ESCANEAMENTO MOBILE
TÍTULO:
CATEGORIA: CONCLUÍDO CATEGORIA:
ÁREA: ENGENHARIAS E ARQUITETURA ÁREA:
SUBÁREA: ENGENHARIAS SUBÁREA:
INSTITUIÇÃO: FACULDADE DE TECNOLOGIA TERMOMECÂNICA INSTITUIÇÃO:
AUTOR(ES): NATÁLIA BERNARDES SENA, NATALIA HELEN DE ARAUJO AUTOR(ES):
ORIENTADOR(ES): NILSON YUKIHIRO TAMASHIRO ORIENTADOR(ES):
Resumo: Este projeto tem por objetivo a confecção de uma órtese tornozelo-pé per-sonalizada através dos métodos de escaneamento e prototipagem 3D. A pesquisa tem como intuito de auxiliar nos conhecimentos sobre como a tecnologia pode ser utilizada para a reabilitação, proporcionando qualidade de vida e conforto às pessoas que ne-cessitam de assistência para se locomover.
Palavras-chave: escaneamento, mobile, impressão 3D, órtese tornozelo-pé, personalização.
1. INTRODUÇÃO
Segundo o IBGE (2010), aproximadamente quatro milhões de pessoas pos-suem deficiência motora de grande dificuldade no Brasil. Dependendo do tipo de sua deficiência, essas pessoas precisam de algum tipo de intervenção para auxílio na mo-vimentação do membro. As órteses foram desenvolvidas para pacientes que necessi-tam de apoio no membro comprometido, como as órteses tornozelo-pé que foram de-senvolvidas com o intuito de auxiliar a locomoção. Porém em muitos casos as órteses são confeccionadas em tamanhos padrão, podendo causar injurias ao membro em que está acoplada, por não se ajustar a formas específicas do corpo.
Assim, utilizando os conhecimentos adquiridos em processos de fabricação, desenho técnico, ambiente de simulação e tecnologia mobile foi possível desenvolver uma órtese tornozelo-pé personalizada que seja confortável e auxilie pacientes com dificuldade de locomoção.
2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo Geral
Desenvolver uma órtese tornozelo-pé personalizada utilizando escaneamento e impressão 3D.
2.2. Objetivos Específicos
Com auxílio de softwares de escaneamento mobile, desenho e modelagem 3D, simular o escaneamento de uma perna humana e através do seu modelo tridimensio-nal confeccionar uma órtese tornozelo-pé articulada persotridimensio-nalizada para o protótipo da perna.
3. METODOLOGIAS
• Definição de um modelo tridimensional perna para a base do projeto; • Adaptações do modelo base;
• Prototipagem do modelo base;
• Escaneamento do modelo Base utilizando o software MakerBot Digiti-zer®;
• Confecção da órtese a partir do resultado do escaneamento; • Prototipagem da órtese utilizando impressora 3D;
• Escaneamento do modelo base utilizando o app 123D Catch®; • Confecção da órtese a partir do resultado do escaneamento; • Testes de encaixe no modelo base.
4. DESENVOLVIMENTO 4.1. Protótipo do Pé
Como ponto de partida, foi definido o uso de um modelo tridimensional adap-tado às dimensões suportadas pelo scanner MakerBot Digitizer®, equipamento esse utilizado como base para o desenvolvimento de um método de escaneamento. Esse modelo foi adaptado em dimensões que permitissem sua plena manipulação e visua-lização, tanto fisicamente quanto virtualmente, uma vez que após o escaneamento, esse modelo seria utilizado como embasamento para a confecção da órtese. As adap-tações foram realizadas através do software de edição e modelamento MeshMexer®, disponibilizado pela AutoDesk®, utilizando a ferramenta de “corte” e posteriormente “gerar sólidos”.
Realizadas as adaptações necessárias, chegamos ao protótipo apresentado abaixo:
Figura 1- Modelo Adaptado da Perna.
Em aproximadamente 4 horas de impressão, o protótipo foi impresso e a partir deste momento, foram iniciadas as etapas para a confecção da órtese tornozelo-pé.
Figura 2- Protótipo do pé finalizado.
4.2. Escaneamento 4.2.1. MakerBot digitizer®
Utilizando o software MakerBot Digitizer®, foi possível realizar o escaneamento do pé anteriormente prototipado. O escaneamento foi realizado diversas vezes em variadas condições, com auxílio de luz, pintura com uma tinta spray para que a peça fique opaca, como ilustrado no gráfico a seguir.
Gráfico 1- Porcentagem de Escaneamento em Cada Teste utilizando o scanner MakerBot Di-gitizer®
A partir do modelo virtual gerado pelo teste VII do MakerBot Digitizer®, foi ini-ciada a confecção da órtese no software de desenho e modelagem MeshMixer®, da Autodesk®. Foi selecionada a área que seria destacada da perna esboçando o que viria a ser a órtese personalizada com as medidas do modelo, e assim, com a área definida foi destacada a órtese do modelo principal, com auxílio da ferramenta “extract” e aplicando um “offset” de 2 mm.
Para poder modelar a calha da órtese foi necessário transformá-la em um novo objeto, portanto em um arquivo diferente, para isso utilizamos a ferramenta “separate”
que desprende a parte selecionada do objeto inicial criando um novo arquivo para cada objeto.
Figura 3-“Offset” da calha.
Feita a definição da calha da órtese e após sua extrusão, foi realizado o corte separando a articulação, assim, dividindo a órtese em duas partes.
Figura 4-Modelo da órtese.
Afim de gerar um objeto sólido, para que a impressão se tornasse possível, foi feita mais uma camada da órtese com o recurso “offset” e entre essas camadas foi utilizado o recurso “make solid”, onde as paredes são unidas por um preenchimento extrudado.
Figura 5-Extrusão da calha do pé.
Após duas horas de impressão, a órtese foi finalizada e encaixou-se perfeita-mente no protótipo de perna humana utilizado.
Figura 6-Perna com órtese.
4.2.2. 123D Catch®
Ao finalizar e validar o método de escaneamento base utilizando o MakerBot Digitizer®, foi dado início aos testes utilizando o aplicativo de escaneamento mobile 123D Catch®, disponibilizado pela Autodesk para smartphones e o protótipo inicial da perna, testes esses que analisam a relação de parâmetro do software e a interferência de iluminação, uma vez que o software necessita de ponto de origem para se basear em relação a mudança de angulação na sequência das fotos (pede-se uma folha com letras ou desenhos) gerando o modelo tridimensional.
Gráfico 2-Porcentagem de Escaneamento em Cada Teste utilizando o aplicativo mobile 123D Ca-tch®.
4.3. Confecção da Órtese 4.3.1. MeshMixer
Ao finalizar os testes utilizando o 123D Catch®, e validado o método de con-fecção da órtese a partir do primeiro modelo, foi dado início a concon-fecção da órtese com base no modelo gerado pelo escaneamento do teste VI.
Primeiramente foi restaurado a escala original da peça, visto que ao realizar o escaneamento o aplicativo reduz drasticamente o tamanho da imagem, em seguida foi feito uma filtragem na imagem retirando todos os elementos alheios à perna, e em seguida foi repetido o processo de modelamento e refinamento validados anterior-mente, selecionando linhas para definir a área da calha, e dando origem ao modelo virtual da órtese, que ao ser testado apresentou perfeito encaixe na perna.
Figura 7- Encaixe no modelo virtual.
5. RESULTADOS
5.1. Análise Comparativa do Refinamento de Malha
Analisando os resultados obtidos nos testes, ao confeccionar a órtese para am-bos métodos de escaneamento, foi observado que o software de modelamento sub-divide o objeto em milhares de tetraedros criando uma malha refinada de elementos finitos. A cada etapa de edição foi observado uma mudança na quantidade de tetrae-dros na malha do modelo.
No momento em que foi gerado um sólido na perna o modelo passou a ter aproximadamente cinquenta e oito mil (58.000) triângulos na malha.
Ao confeccionar a órtese separando e descartando o material que não seria utilizado a quantidade de triângulos foi reduzida para aproximadamente trinta mil (30.000) triângulos na malha.
Por fim houve a etapa de corte e separação das calhas para obtermos a órtese articulada, e ajustes finais para fins de impressão, finalizando o modelo com um total de setenta e seis mil e novecentos e dezoito (76.918) triângulos.
Gráfico 3- Quantidade de Triângulos por Etapas utilizando o MakerBot Digitizer®
Com o modelo virtual do 123D Catch®, a malha da órtese antes da divisão da articulação apresentou aproximadamente vinte e dois mil triângulos (22.000). Em se-guida foi feito o corte e separação das calhas da canela e do pé gerando aproximada-mente nove mil e cem (9.100) triângulos na calha do pé e nove mil e trezentos (9.300) triângulos a calha da canela, apresentando um total de dezoito mil e trezentos e ses-senta e cinco (18.365) triângulos.
Gráfico 4- Quantidade de Triângulos por Etapas utilizando o 123D Catch®.
No gráfico 3 é possível visualizar os resultados sobrepostos e assim comparar o refinamento das malhas geradas a partir dos dois métodos de escaneamento. No modelo gerado pelo scanner MakerBot Digitizer® durante as edições feitas a quanti-dade de tetraedros gerada diminuiu e só voltou a aumentar devido a edição final feita, que gerou uma duplicata de cada calha e um preenchimento sólido, consequente-mente gerando mais tetraedros. Já no modelo criado a partir do app 123D Catch®, a cada etapa a quantidade de tetraedros diminuiu drasticamente, isso se deu pelo fato de que a primeira edição feita filtrou a imagem, excluindo cada parte alheia à perna, e também pelo fato de o modelo gerado possuir escala reduzida, gerando uma quanti-dade menor de elementos finitos.
Gráfico 5- Quantidade de Triângulos por Etapas considerando os métodos de escaneamento.
5.2. Análise da Influência da Opacidade da Peça com o Scanner Maker-Bot Digitizer®
Ao escanear utilizando o scanner MakerBot Digitizer® foi observado que o dis-positivo não altera a escala do objeto em questão, entretanto, existe uma dificuldade em relação a interação do laser de varredura com a peça; os feixes de luz não se adaptam a opacidade da peça, ou seja, quanto menos opaca a peça, maior é a difi-culdade de a câmera receber de volta os feixes de luz e gerar os pontos que posteri-ormente se transformarão no modelo tridimensional.
No desenvolvimento do projeto, devido a este contratempo já conhecido sobre a opacidade, a peça que era originalmente prototipada em PLA amarelo, teve uma camada de tinta spray branca aplicada por toda sua extensão, tornando-se, assim, mais opaca e impedindo que os feixes de luz se dissipassem. Essa foi uma alternativa encontrada para amenizar o problema de opacidade do protótipo, podendo ser utili-zada também outras em peças prototipadas nessa cor, ou em outros tipos de materiais que possuem opacidade reduzida.
Gráfico 6- Representação do escaneamento do protótipo amarelo com pintura e iluminação.
Gráfico 7- Representação do escaneamento do protótipo amarelo sem pintura e com iluminação.
5.3. Análise comparativa entre os tipos de escaneamento
Ao realizar esse projeto, apesar de ter sido comprovada a eficácia dos dois métodos de escaneamento utilizados, foram observadas diferenças claras entre am-bos. Afim de explicitar essas diferenças foram confeccionados gráficos e tabelas com-parativas, apresentadas nas tabelas 3 e 4.
Contudo, os dois métodos se mostraram viáveis. Foi constatado que indepen-dente do ajuste necessário em cada processo, os métodos de escaneamento utiliza-dos são funcionais para a finalidade proposta, permitindo assim que o paciente se beneficie da mobilidade de um “scanner” portátil como o 123D Catch®, tanto quanto de um “scanner” fixo, como seria o caso do MakerBot Digitizer® à medida que ambos exercem a mesma função com êxito, captando todos os pontos, mesmo que com al-gumas intervenções, e gerando um modelo com qualidade capaz de se transformar, com a edição correta, em uma órtese personalizada.
Tabela 1- Vantagens e Desvantagens 123D Catch®.
Tabela 2- Vantagens e desvantagens MakerBot Digitizer®.
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Após a realização dos testes com o scanner MakerBot Digitizer® e o aplicativo 123D Catch®, foi possível constatar que ambos os métodos são viáveis para a finali-dade desse projeto, pois tanto o modelo virtual quanto o físico, utilizando os dois mé-todos de escaneamento, apresentaram encaixe satisfatório no protótipo do pé.
Assim é possível que tanto um paciente quanto clínicas médicas se beneficiem da mobilidade de um scanner portátil como o 123D Catch®, que capta os pontos com a qualidade necessária para a confecção de uma órtese tornozelo-pé.
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AUTODESK. How to use 123D Catch. 2014. Disponível em: <www.123dapp.com/howto/catch>. Acesso em: 23 mar. 2017.
AUTODESK. MeshMixer Manual. 2017. Disponível em: http://www.mmma-nual.com/>. Acesso em: 02 abr. 2017.
BRASIL. IBGE. População residente por tipo de deficiência, segundo a si-tuação do domicílio, o sexo e os grupos de idade - Amostra - Características gerais da população. 2010. Disponível em: <https//sidra.ibge.gov.br/tabela/3425#re-sultado>. Acesso em: 02 maio 2017.
MAKERBOT. MakerBot Digitizer Desktop 3D Scanner – MANUAL UTILIS-ATEUR. 2017. Disponível em: <https://eu.makerbot.com/fileadmin/Inhalte/Sup-port/Manuals/MakerBot_Digitizer_User_Manual_Fr.pdf>. Acesso em: 05 mar. 2017.
