Concepção de uma ortótese para a articulação do joelho

Transcrição

1 Engenharia 2009 inovação & desenvolvimento de Novembro Covilhã Universidade da Beira Interior Dynamics of Mechanical Systems Concepção de uma ortótese para a articulação do joelho N. Reina 1 E. Seabra 1 M. Margarida 1 P. Moreira 1 P. Araújo 1 P. Flores 1 1 Universidade do Minho - Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Mecânica Campus de Azurém Guimarães Portugal Universidade do Minho Escola de Engenharia

2 Sumário MOTIVAÇÃO INTRODUÇÃO OBJECTIVOS ANÁLISE DESCRITIVA DA MARCHA HUMANA CARACTERÍSTICAS CINEMÁTICO-DINÂMICAS DA LOCOMOÇÃO SISTEMA DE ACTUAÇÃO DA ORTÓTESE COMENTÁRIOS FINAIS

3 A principal motivação para a realização deste projecto prende-se com a necessidade específica decorrente de uma solicitação de uma cidadã portuguesa que apresenta limitações na locomoção num dos membros inferiores.

4 A principal motivação para a realização deste projecto prende-se com a necessidade específica decorrente de uma solicitação de uma cidadã portuguesa que apresenta limitações na locomoção num dos membros inferiores. Após uma primeira caracterização do seu estado clínico, verificou-se a necessidade de desenvolver uma ortótese específica, que fosse de encontro às patologias concretas de uma perna que apresenta atrofia muscular provocadas por sequelas de uma paralisia infantil.

5 A principal motivação para a realização deste projecto prende-se com a necessidade específica decorrente de uma solicitação de uma cidadã portuguesa que apresenta limitações na locomoção num dos membros inferiores. Após uma primeira caracterização do seu estado clínico, verificou-se a necessidade de desenvolver uma ortótese específica, que fosse de encontro às patologias concretas de uma perna que apresenta atrofia muscular provocadas por sequelas de uma paralisia infantil. Na área científico-técnica que inclui o estudo de ortóteses para os membros inferiores tem havido pouca evolução nos últimos anos, pelo que se verificam ainda algumas limitações funcionais nas ortóteses actualmente disponíveis no mercado.

6 A principal motivação para a realização deste projecto prende-se com a necessidade específica decorrente de uma solicitação de uma cidadã portuguesa que apresenta limitações na locomoção num dos membros inferiores. Após uma primeira caracterização do seu estado clínico, verificou-se a necessidade de desenvolver uma ortótese específica, que fosse de encontro às patologias concretas de uma perna que apresenta atrofia muscular provocadas por sequelas de uma paralisia infantil. Na área científico-técnica que inclui o estudo de ortóteses para os membros inferiores tem havido pouca evolução nos últimos anos, pelo que se verificam ainda algumas limitações funcionais nas ortóteses actualmente disponíveis no mercado. Assim, surgem com alguma frequência pedidos de pacientes que apresentam patologias para as quais ainda não existem ajudas técnicas eficazes e especialmente adaptadas às suas condições.

7 Como resposta a patologias como a da cidadã em questão, são geralmente prescritas ortóteses do tipo KAFO (Knee Ankle Foot Orthosis - Ortótese para o conjunto pé, tornozelo e joelho) adaptadas, que acompanham o membro inferior desde o pé até à região da coxa.

8 Como resposta a patologias como a da cidadã em questão, são geralmente prescritas ortóteses do tipo KAFO (Knee Ankle Foot Orthosis - Ortótese para o conjunto pé, tornozelo e joelho) adaptadas, que acompanham o membro inferior desde o pé até à região da coxa. Este conceito de ortótese insere-se nos tipos de ortótese geralmente prescritas em que a articulação do joelho se encontra imobilizada num determinado ângulo de flexão/extensão ou permite uma livre flexão e extensão do joelho, mas, ao mesmo tempo, confere alguma estabilidade lateral ao joelho e corrige certas deformações do membro inferior.

9 Como resposta a patologias como a da cidadã em questão, são geralmente prescritas ortóteses do tipo KAFO (Knee Ankle Foot Orthosis - Ortótese para o conjunto pé, tornozelo e joelho) adaptadas, que acompanham o membro inferior desde o pé até à região da coxa. Este conceito de ortótese insere-se nos tipos de ortótese geralmente prescritas em que a articulação do joelho se encontra imobilizada num determinado ângulo de flexão/extensão ou permite uma livre flexão e extensão do joelho, mas, ao mesmo tempo, confere alguma estabilidade lateral ao joelho e corrige certas deformações do membro inferior. A utilização de ortóteses KAFO convencionais é, em geral, esteticamente pouco atractiva, uma vez que estas limitam a mobilidade do paciente e forçam-no a caminhar de uma forma pouco natural.

10 Estudos demonstram que o aumento de energia necessário para o uso das ortóteses KAFO é uma das principais razões para as elevadas taxas de rejeição, as quais variam entre 60% e 80%.

11 Estudos demonstram que o aumento de energia necessário para o uso das ortóteses KAFO é uma das principais razões para as elevadas taxas de rejeição, as quais variam entre 60% e 80%. De uma forma geral, mais de 40% dos utilizadores não estão satisfeitos com este tipo de ortóteses. Nos últimos anos, começaram a surgir no mercado ortóteses do tipo SCKAFO que são dinâmicas, ou seja, permitem a fixação do joelho durante a fase de apoio e a sua flexão durante a fase de balanço.

12 Estudos demonstram que o aumento de energia necessário para o uso das ortóteses KAFO é uma das principais razões para as elevadas taxas de rejeição, as quais variam entre 60% e 80%. De uma forma geral, mais de 40% dos utilizadores não estão satisfeitos com este tipo de ortóteses. Nos últimos anos, começaram a surgir no mercado ortóteses do tipo SCKAFO que são dinâmicas, ou seja, permitem a fixação do joelho durante a fase de apoio e a sua flexão durante a fase de balanço. Esta activação pode ser puramente mecânica ou electrónica. Contudo, actualmente, muitas destas ortóteses não estão ainda disponíveis em todos os países nem abrangem todo o tipo de patologias, sendo assim oportuno e pertinente o desenvolvimento de um novo conceito de ortótese.

13 Ortóteses do tipo SCKAFO (Stance Control Knee Ankle Foot Orthosis)

14 Os projectos de ortóteses SCKAFO integram sistemas hidráulicos, mecanismos de atrito, elementos elásticos ou estimulação eléctrica, bem como o uso de embraiagens unidireccionais convencionais e travões na região da ortótese correspondente à articulação do joelho.

15 Os projectos de ortóteses SCKAFO integram sistemas hidráulicos, mecanismos de atrito, elementos elásticos ou estimulação eléctrica, bem como o uso de embraiagens unidireccionais convencionais e travões na região da ortótese correspondente à articulação do joelho. Contudo, actualmente, muitas destas ortóteses não estão ainda disponíveis em todos os países nem abrangem todo o tipo de patologias, sendo assim oportuno e pertinente o desenvolvimento de um novo conceito de ortótese.

16 A ortótese terá ser dinâmica, na medida em que deverá bloqueiar a articulação do joelho quando o utilizador apoiar o pé no solo e permitir o movimento de flexão-extensão livre do joelho quando o pé deixar de estar apoiado no solo. Assim, quando o utilizador iniciar a fase de apoio da marcha, o mecanismo de bloqueio da articulação do joelho terá ser activado, fixando o mesmo.

17 A ortótese terá ser dinâmica, na medida em que deverá bloqueiar a articulação do joelho quando o utilizador apoiar o pé no solo e permitir o movimento de flexão-extensão livre do joelho quando o pé deixar de estar apoiado no solo. Assim, quando o utilizador iniciar a fase de apoio da marcha, o mecanismo de bloqueio da articulação do joelho terá ser activado, fixando o mesmo. A ortótese terá de funcionar sem fonte de energia externa, na medida em que a fixação ou bloqueio deverá ocorrer sob a influência do peso do utilizador e a partir de uma determinada extensão do membro inferior.

18 A ortótese terá ser dinâmica, na medida em que deverá bloqueiar a articulação do joelho quando o utilizador apoiar o pé no solo e permitir o movimento de flexão-extensão livre do joelho quando o pé deixar de estar apoiado no solo. Assim, quando o utilizador iniciar a fase de apoio da marcha, o mecanismo de bloqueio da articulação do joelho terá ser activado, fixando o mesmo. A ortótese terá de funcionar sem fonte de energia externa, na medida em que a fixação ou bloqueio deverá ocorrer sob a influência do peso do utilizador e a partir de uma determinada extensão do membro inferior. A ortótese terá de ter mais do que um ângulo de encravamento, na medida que será benéfico para o paciente e, ao mesmo tempo, uma grande vantagem em relação às ortóteses existentes no mercado.

19 Análise Descritiva da A marcha, ou locomoção humana, pode ser descrita como uma translação progressiva do corpo como um todo, produzida por movimentos coordenados dos segmentos corporais, impondo exigências mais elevadas sobre os membros inferiores do que a postura estática erecta. Fase de Apoio Apoio duplo Fase de Balanço Ciclo da marcha (%) Contacto inicial Resposta Apoio Calcanhar fora Pré- Balanço com carga Médio do solo balanço inicial Metade do balanço Desaceleração

20 A fase de balanço ou oscilação, começa logo que os dedos do pé da extremidade de referência deixam o solo e termina no momento em que há contacto com o solo do calcanhar ou de qualquer outra parte da mesma. A fase de balanço ocupa cerca de 40% do ciclo da marcha. Análise Descritiva da

21 A análise das características cinemático-dinâmicas da locomoção permite obter uma ideia muito mais precisa e individualizada para o desenvolvimento do conceito de ortótese.

22 A análise das características cinemático-dinâmicas da locomoção permite obter uma ideia muito mais precisa e individualizada para o desenvolvimento do conceito de ortótese. O estudo das forças e momentos existentes nas várias articulações ao longo da marcha ajuda a calcular os esforços que a ortótese vai ter de suportar, facilitando assim o dimensionamento dos seus componentes.

23 A análise das características cinemático-dinâmicas da locomoção permite obter uma ideia muito mais precisa e individualizada para o desenvolvimento do conceito de ortótese. O estudo das forças e momentos existentes nas várias articulações ao longo da marcha ajuda a calcular os esforços que a ortótese vai ter de suportar, facilitando assim o dimensionamento dos seus componentes. Pelos estudos publicados por Winter, Andriacchi, Kaufman e Whittle, o valor máximo encontrado para o momento no joelho durante a fase de apoio da marcha com ritmo normal é de cerca de 73,8 N.m para um indivíduo de 120 kg.

24 M(máximo)=0, =73,8 Nm Momento extensor Momento flexor

25 M(máximo)=0, =73,8 Nm A força de reacção do solo mais elevada (10,96 N/kg) ocorre aos 14% da marcha, coincidindo com o momento máximo no joelho.

26 M(máximo)=0, =73,8 Nm A força de reacção do solo mais elevada (10,96 N/kg) ocorre aos 14% da marcha, coincidindo com o momento máximo no joelho. Durante a fase de apoio (4% da marcha) a força mínima da reacção do solo é de 5,41 N/kg. Esta força mínima corresponde ao valor a partir do qual a ortótese deve estar bloqueada.

27 Noutro estudo efectuado por Winter podemos verificar que a força máxima aplicada directamente na articulação é de 10,23 N/kg que, para um indivíduo de 120 kg, que corresponde a uma força de 1227,6 N.

28 Noutro estudo efectuado por Winter podemos verificar que a força máxima aplicada directamente na articulação é de 10,23 N/kg que, para um indivíduo de 120 kg, que corresponde a uma força de 1227,6 N. Esta força de 1227,6 N é importante para calcular os esforços provocados na articulação da ortótese que corresponde à articulação do joelho.

29 Conforme a figura seguinte a existência de mais do que um ângulo de encravamento na ortótese seria benéfica para o paciente.

30 Os principais objectivos inerentes à existência de mais do que um ângulo de encravamento da articulação do joelho são: (i) maior segurança do paciente que, se não conseguir estender completamente o membro inferior, tem sempre um segundo ou terceiro ângulo de bloqueio; (ii) melhoria da marcha em ruas ou superfícies com inclinação acentuada visto que, nestas situações, o joelho pode apresentar uma flexão superior.

31 Deste modo, foram escolhidos três ângulos de fixação: (i) 13º - ângulo médio durante a fase de apoio; (ii) (iii) 21º - ângulo máximo durante a fase de apoio (serve para as duas funções anteriormente descritas); 35º - funciona como segurança em caso de não encravamento nos ângulos inferiores (permite a locomoção em superfícies muito inclinadas ou solos muito irregulares).

32 A desactivação do sistema de bloqueio da articulação do joelho, com a consequente transferência do peso do corpo para o outro membro inferior, deve ocorrer por volta dos 50% da duração da marcha (início da fase de apoio duplo com o calcanhar do outro membro inferior a tocar no solo).

33 A desactivação do sistema de bloqueio da articulação do joelho, com a consequente transferência do peso do corpo para o outro membro inferior, deve ocorrer por volta dos 50% da duração da marcha (início da fase de apoio duplo com o calcanhar do outro membro inferior a tocar no solo). Assim, se sistema de actuação estiver bem localizado na base plantar do pé, a pressão efectuada pela base plantar do pé no sistema de actuação nesta fase vai ser baixa, o que vai permitir a desactivação do sistema de bloqueio e uma consequente flexão livre do joelho (de modo a acompanhar as necessidades do paciente na locomoção durante a fase de apoio duplo e de balanço)

34 A desactivação do sistema de bloqueio da articulação do joelho, com a consequente transferência do peso do corpo para o outro membro inferior, deve ocorrer por volta dos 50% da duração da marcha (início da fase de apoio duplo com o calcanhar do outro membro inferior a tocar no solo). Assim, se sistema de actuação estiver bem localizado na base plantar do pé, a pressão efectuada pela base plantar do pé no sistema de actuação nesta fase vai ser baixa, o que vai permitir a desactivação do sistema de bloqueio e uma consequente flexão livre do joelho (de modo a acompanhar as necessidades do paciente na locomoção durante a fase de apoio duplo e de balanço) Para evitar que o paciente coloque o joelho em hiperextensão, a ortótese deve possuir um limitador de ângulos de flexão do joelho entre 0º e 120º, em que os 0º impedem a hiperextensão do joelho e os 120º de flexão para a posição sentada do paciente.

35 da Ortótese O sistema de actuação funciona em sintonia com o sistema de bloqueio. A sua localização na base do pé varia com o tipo de patologia do paciente e deve ser adaptada individualmente. Numa aproximação a uma situação normal proporcionada por uma ortótese convencional do tipo KAFO, a localização para o sistema de actuação seria na zona com a qual o pé apoia primeiro no solo: o calcanhar. Sistema de Actuação da Ortótese

36 da Ortótese 30º de flexão VFRS Momento flexor 25º de flexão VFRS Momento flexor Sistema de Actuação da Ortótese 0º 0º Momento extensor CDP Momento de flexão plantar Contacto inicial (batida do calcanhar no solo) Início da activação do sistema bloqueio 15º de flexão 15º de flexão plantar CDP Momento flexor Momento de flexão plantar Pé aplainado (final da resposta com carga)

37 da Ortótese VFRS 25º de flexão VFRS Momento flexor 0º de flexão Momento extensor Sistema de Actuação da Ortótese 15º de flexão 15º de flexão plantar CDP Momento flexor 5º de flexão Momento de flexão plantar 5º-10º de dorsiflexão Fim da resposta com carga CDP Sistema de bloqueio activado Momento extensor Momento dorsiflexor Apoio único (fim do apoio único)

38 da Ortótese 20º de hiperextensão VFRS Momento extensor VFRS Momento extensor 0º Momento extensor 30º de flexão Momento flexor Sistema de Actuação da Ortótese 0º 20º de hiperextensão (dedos do pé) Momento dorsiflexor Momento extensor (dedos do pé) CDP Fim da fase de apoio (calcanhar fora do solo) Fim da activação do sistema bloqueio 20º de flexão plantar 60º hiperextensão (dedos do pé) Momento dorsiflexor Momento extensor (dedos do pé) CDP Fim da fase pré-balanço (dedos do pé fora do solo)

39 Deve ser criado um novo dispositivo que possua um sistema de bloqueio que apresente vários ângulos de encravamento (sendo sugeridos os ângulos 13º, 21º e 35º) que devem ser adaptados individualmente à condição do paciente. Comentários Finais

40 Deve ser criado um novo dispositivo que possua um sistema de bloqueio que apresente vários ângulos de encravamento (sendo sugeridos os ângulos 13º, 21º e 35º) que devem ser adaptados individualmente à condição do paciente. De modo a evitar a hiperextensão do joelho em qualquer altura, deve existir um limitador de ângulo de flexão do joelho entre os 0º e os 120º (para que o paciente se possa sentar confortavelmente). Comentários Finais

41 Deve ser criado um novo dispositivo que possua um sistema de bloqueio que apresente vários ângulos de encravamento (sendo sugeridos os ângulos 13º, 21º e 35º) que devem ser adaptados individualmente à condição do paciente. De modo a evitar a hiperextensão do joelho em qualquer altura, deve existir um limitador de ângulo de flexão do joelho entre os 0º e os 120º (para que o paciente se possa sentar confortavelmente). Pretende-se projectar e produzir uma ortótese do tipo SCKAFO que consiga conciliar os conceitos mencionados ao longo deste trabalho, proporcionando assim uma aproximação à marcha normal a pacientes com atrofia muscular ao nível do quadricípite femoral, que não conseguem fixar o joelho na fase de apoio. Comentários Finais

42 Todos os requisitos funcionais, estruturais e estéticos deverão ser considerados, de modo a obter uma solução final optimizada e corresponder adequadamente às necessidades dos pacientes que motivaram a realização deste projecto. Comentários Finais

43 Engenharia 2009 inovação & desenvolvimento de Novembro Covilhã Universidade da Beira Interior Dynamics of Mechanical Systems Concepção de uma ortótese para a articulação do joelho Obrigado pela sua atenção Questões? * eseabra@dem.uminho.pt ' Universidade do Minho Escola de Engenharia