Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para a Aquisição e Análise do Movimento Mandibular

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1 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Escola Superior de Arte e Design Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para a Aquisição e Análise do Movimento Mandibular Isa Cristina Teixeira Santos Dezembro de 2005

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3 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para a Aquisição e Análise do Movimento Mandibular Dissertação submetida para efeito de atribuição do grau de Mestre em Design Industrial pela Universidade do Porto Isa Cristina Teixeira Santos Licenciada em Engenharia Mecânica pela Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (2003) Dissertação realizada sob a supervisão de: Prof. João Manuel R. S. Tavares (Orientador) Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Prof. Joaquim Gabriel Mendes (Co-Orientador) Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Prof. Manuel Pedro da Fonseca Paulo (Co-Orientador) Professor Associado da Faculdade de Medicina Dentária da Universidade do Porto i

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5 Agradecimentos Gostaria de agradecer aos meus orientadores, o Prof. João Tavares, o Prof. Joaquim Mendes e ao Prof. Manuel Paulo, pela disponibilidade e pelo apoio dispensado na realização deste trabalho. Agradeço ao Prof. Fernando Martins pelo apoio dado na implementação do algoritmo de redes neuronais. Ao Eng. Rui Neto e ao CETECOFF Unidade de Fundição e Novas Tecnologias (INEGI) agradeço pela realização dos protótipos e à Investigadora Principal Teresa Restivo (FEUP-DEMEGI) pela disponibilização do Laboratório de Instrumentação para Medição para a realização das medições experimentais. Agradeço à Rhopoint Components LTD (Inglaterra) pelo envio dos sensores utilizados neste trabalho e à Ningbo Ketian Magnet CoLtd (China) pelo envio de ímanes. Também agradeço à Ana Pereira, ao Bruno e ao Artur pela ajuda. Para terminar, quero agradecer à minha família e aos meus amigos pelo incentivo e pela ajuda nas pequenas e nas grandes coisas. iii

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7 Resumo Esta Dissertação relata o desenvolvimento de um sistema protótipo para a aquisição e análise do movimento mandibular 3D. Em Medicina Dentária, o estudo do movimento mandibular revela-se de grande importância no desenvolvimento de trabalhos de reabilitação oral, pois permite determinar se existem ou não patologias ao nível da articulação temporomandibular, possibilitando a realização de diagnósticos e a elaboração de planos de tratamento adequados. Neste trabalho, numa primeira fase, foi feito um estudo sobre a anatomia dentária e o funcionamento da articulação temporomandibular para melhor compreender o problema em questão. Em seguida, foi realizado um levantamento dos vários sistemas existentes para a aquisição do movimento para conhecer as suas vantagens e limitações. Finalmente, optou-se por adaptar um arco facial comum em Medicina Dentária de modo a usar sensores electromagnéticos para fazer a aquisição do movimento. Algumas peças do arco facial seleccionado foram redesenhadas de modo a garantir o conforto dos pacientes durante os exames, e foi desenvolvido um suporte específico para os sensores. Para visualizar e analisar o movimento 3D adquirido num computador pessoal foi desenvolvida uma aplicação computacional em LabVIEW. Para converter em coordenadas cartesianas a tensão dada pelos sensores electromagnéticos foi criado o algoritmo do ponto mais próximo e foram também utilizadas redes neuronais. Ao desenvolver o sistema protótipo procurou-se adoptar um processo de desenvolvimento de produto estruturado: foram identificadas as necessidades dos clientes (os médicos dentistas), foram definidas as especificações do produto, foram definidos conceitos e a arquitectura do mesmo, e foram desenvolvidos e testados protótipos. Também foram estimados os custos de produção do protótipo desenvolvido. v

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9 Abstract This thesis presents the development of a prototype system for the acquisition of the 3D mandibular movement. In Dental Medicine, the study of the mandibular movement is very important in the development of oral rehabilitation treatments because it allows to determine if exists or not pathologies in the temporomandibular joints, allows the diagnostic and the elaboration of adequate treatment plans. In this project, in an early stage, it was made a study about dental anatomy and the functioning of the temporomandibular joint to better understand the problem. Were also identified some of the existing systems for the acquisition of the mandibular movement to know there advantages and limitations. Finally, it was chosen to adapt a common facial arc in Dental Medicine to use electromagnetic sensors to acquire the movement. Some parts of the facial arc were redesigned in order to ensure the comfort of the patients during the exams and it was developed a specific support for the sensors. To visualise and analyse the 3D movement acquired in a personal computer it was developed a computational application in LabVIEW. To transform in cartesian coordinates the electrical signal obtained by the electromagnetic sensors it was created the algorithm of the nearest point and were also used neural networks. To develop this prototype system it was adopted a structured product development process: the costumer needs, the product specifications, the concept and the product architecture were defined and prototypes were created and tested. It were also estimated the production costs of the developed prototype. vii

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11 Índice 1. Introdução à Dissertação : Introdução : Organização da Dissertação : Principais contribuições do trabalho desenvolvido Introdução à Anatomia Dentária : Articulação temporomandibular : Ligamentos : Músculos : Movimentos : Oclusão : Desenvolvimento da oclusão : Forma do arco dental : Ângulos cuspídeos, cúspides guias, planos e curvas oclusais imaginários : Angulação dos eixos dos dentes : Forma funcional dos dentes : Contacto oclusal : Resumo Disfunções Temporomandibulares: Causas e Diagnóstico : Disfunções temporomandibulares : Diagnóstico das disfunções temporomandibulares : Aquisição e análise do movimento mandibular : Sistema Zebris JMA system : Sistema ARCUSdigma : Sistema K7 Evaluation System : Sistemas ópticos : Resumo Introdução ao Desenvolvimento de Produto e Apresentação do Caso em Estudo : Introdução ao Desenvolvimento de Produto ix

12 4.2: Apresentação do caso em estudo: Desenvolvimento de um sistema protótipo para aquisição e análise do movimento mandibular 3D : Introdução : Desenvolvimento do sistema protótipo : Resumo Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D : Sensores electromagnéticos : Íman : Arco Facial Arcus : Redesign efectuado : Sistema de suporte para os sensores : Protótipos desenvolvidos : Montagem electrónica desenvolvida : Interface gráfica desenvolvida : Conversão da Tensão em Coordenadas Cartesianas : Utilização do sistema : Estimativa dos custos de produção : Comercialização do produto : Resumo Conclusões Finais e Perspectivas de Trabalho Futuro : Conclusões Finais : Perspectivas de Trabalho Futuro Bibliografia Anexo A. Programação em LabVIEW x

13 Índice de Figuras Figura 2.1: Articulação temporomandibular (imagem adaptada de [Moore, 1999]) Figura 2.2: A articulação temporomandibular: a) vista lateral; b) vista medial; c) secção sagital (imagens adaptadas de [Williams, 1995]) Figura 2.3: a) Músculo temporal esquerdo; b) Músculos pterigóideos esquerdos (imagens de [Williams, 1995]) Figura 2.4: Modificações das relações do côndilo da mandíbula, o disco articular e a face articular do osso temporal durante uma abertura completa (A>D) e fecho (D>A) do ciclo da boca (imagem de [Williams, 1995]) Figura 2.5: Representação esquemática do movimento mandibular bordejante no plano sagital: CR - relação cêntrica; CO - oclusão cêntrica; F - protrusão máxima; PR - posição de repouso; E - abertura máxima; B e CR - abertura e fecho sobre o eixo de rotação, sem mudança no raio (r) (imagem adaptada de [Major, 1987]) Figura 2.6: Movimento lateral direito da mandíbula, com representação esquemática do movimento no ponto incisivo no plano horizontal (CR, LL, P, RL) e na cabeça da mandíbula (W, C, B, P): CR - relação cêntrica; LL - lateral esquerda; P - protrusiva; RL - lateral direita; CO - oclusão cêntrica; BG ângulo de Bennett; de C a P - movimento protrusivo (imagem de [Major, 1987]) Figura 2.7: Figura de Posselt no plano frontal (imagem de [Weingärtner, 1997]) Figura 2.8: Dentição de leite (imagens adaptadas de [ADMT, 2005]) Figura 2.9: Dentição definitiva (imagem adaptada de [ADMT, 2005]) Figura 2.10: Sequência eruptiva favorável dos dentes permanentes (imagem de [Major, 1987]) Figura 2.11: Curva de Spee (imagem de [Bastos, 2000]) Figura 2.12: Curva de Wilson (imagem de [Bastos, 2000]) xi

14 Figura 2.13: Angulação dos eixos dos dentes: A incisivos; B primeiro prémolar; C segundo pré-molar; D primeiro molar; E segundo molar; F terceiro molar (imagem de [Major, 1987]) Figura 2.14: Os terços incisal e oclusal da coroa dental apresentam superfícies côncavas ou convexas em todas as áreas de contacto oclusal (imagem de [Major, 1987]) Figura 2.15: A - Desenho esquemático da face mesial das coroas dos primeiros molares superiores e inferiores em relação cêntrica (foram colocados círculos dentro dos contornos das formas cuspídeas para enfatizar as curvaturas); B - Esquema das relações de contacto em dentes não desgastados; C - Modificação nas relações de contacto oclusal com o desgaste (imagem de [Major, 1987]) Figura 2.16: Relações vestibulares dos dentes nos arcos opostos (imagem de [Bodin, 2004]) Figura 2.17: Sobressaliência e sobremordida (imagem adaptada de [ADMT, 2005]) Figura 2.18: Esquema idealizado para todos os contactos das cúspides de suporte com fossas e cristas marginais dos dentes oponentes: A - arco superior; B - arco inferior (imagem de [Ramfjord, 1984]) Figura 3.1: Sistema Jaw Motion Analyzer (JMA) da Zebris GmbH (imagem de [Enciso, 2002]) Figura 3.2: Sistema ARCUSdigma da Kavo (imagem de [ 42 Figura 3.3: Os quatro passos necessários para a aquisição do movimento com o sistema ARCUSdigma (imagem de [Pröschel, 2002]) Figura 3.4: Sistema K7 Evaluation System da Myotronics (imagem de [Garcia, 2003]) Figura 3.5: Íman utilizado para detectar o movimento, montado sobre os incisivos (imagem de [Leles, 2003]) Figura 3.6: Interface gráfica que acompanha o sistema K7 Evaluation System da Myotronics (imagens de [ 45 Figura 3.7: Paciente sentado no interior do campo de visão das duas câmaras posicionadas ortogonalmente. O paciente usa um suporte com marcadores inferiores e um capacete de referência (imagem de [Leader, 2002]) xii

15 Figura 3.8: Sistema desenvolvido por Mesnard: a) Molde dos dentes do paciente e a calha onde vão ser montados os alvos; b) Alvos montados no paciente (imagens de [Mesnard, 2003]) Figura 3.9: Sistema desenvolvido por Kinuta (imagem de [Kinuta, 2003]) Figura 3.10: Imagem obtida pela câmara utilizada por Kinuta (imagem de [Kinuta, 2003]) Figura 4.1: Processo genérico de desenvolvimento de produto (imagem adaptada de [Ulrich, 2000]) Figura 5.1: Efeito de Hall: a) sem campo magnético; b) com campo magnético (imagens de [Honeywell, 2005]) Figura 5.2: Efeito GMR, Giant Magneto Resistive : A Camada condutora; B Camadas magnéticas; C Corrente eléctrica; D Campo magnético (imagens adaptadas de [NVE, 2005]) Figura 5.3: a) Sensores AA da NVE Corporation (USA) usados; b) Esquema do sensor (imagem de [NVE, 2002]) Figura 5.4: Configurações possíveis do íman/sensor usado (imagens adaptadas de [Honeywell, 2005]) Figura 5.5: Modelação 3D da montagem dos sensores usados e das placas de circuito impresso desenvolvidas Figura 5.6: Íman usado na aquisição do movimento mandibular Figura 5.7: Íman revestido a teflon (diâmetro: 5 mm; altura: 11 mm) Figura 5.8: Arco facial Arcus da Kavo usado neste trabalho como estrutura principal de suporte do sistema de aquisição mandibular (duas vistas) Figura 5.9: a) Exemplo de utilização do arco facial Arcus da Kavo; b) Pormenor do auricular; c) Pormenor da glabela (imagens de [ 68 Figura 5.10: Modelação 3D realizado neste trabalho do arco facial Arcus usando o programa Autodesk Inventor Professional (duas vistas) Figura 5.11: Um dos auriculares originais do arco facial Arcus da Kavo (duas vistas) Figura 5.12: a) Modelação 3D obtida para o auricular original; b), c) e d) Redesign obtido para a mesma peça Figura 5.13: Modelação 3D do suporte dos sensores desenvolvido (quatro vistas) xiii

16 Figura 5.14: a) Montagem das placas de circuito dos sensores no dispositivo de suporte respectivo; b) e c) Sistema de abertura/fecho por tampa deslizante..72 Figura 5.15: Pormenor da fixação do suporte desenvolvido para os sensores electromagnéticos ao arco facial da Kavo Figura 5.16: a) Pormenor da parte terminal do suporte dos sensores; b) Pormenor da ligação dos cabos dos sensores Figura 5.17: Primeira versão dos auriculares desenvolvidos Figura 5.18: Primeira versão do suporte desenvolvido para os sensores Figura 5.19: Segunda versão do suporte dos sensores e dos auriculares concebidos neste trabalho usando o método de estereolitografia (duas vistas) Figura 5.20: a) Segunda versão dos auriculares desenvolvidos; b) Montagem do novo auricular no arco facial Arcus da Kavo Figura 5.21: a) Segunda versão do suporte dos sensores desenvolvido; b) Pormenor da fixação das placas de circuito impresso dos sensores; c) Pormenor de fixação ao arco facial Arcus da Kavo Figura 5.22: Montagem dos sensores na segunda versão do suporte desenvolvido para os mesmos Figura 5.23: Sugestão para o plano de apartação do suporte desenvolvido para os sensores (duas vistas) Figura 5.24: NI USB-6008 da National Instruments: 1 - Indicador da orientação dos conectores; 2 - Conectores; 3 - Etiquetas; 4 - Cabo USB (imagem de [NI, 2005]) Figura 5.25: Fonte de alimentação usada na alimentação do sistema (imagem de [ 79 Figura 5.26: Caixa desenvolvida para alimentação dos sensores electromagnéticos e aquisição por um computador pessoal dos seus sinais Figura 5.27: Interface gráfica desenvolvida neste trabalho recorrendo à ferramenta LabVIEW: em cima surgem os campos relativos aos dados pessoais do paciente, enquanto que na parte de baixo surgem os botões de controlo e os gráficos dos resultados obtidos Figura 5.28: Interface gráfica desenvolvida: projecção da trajectória no plano sagital xiv

17 Figura 5.29: Interface gráfica desenvolvida: localização do relatório da medição obtida Figura 5.30: Exemplo de um relatório obtido com a interface desenvolvida Figura 5.31: Montagem utilizada na aquisição experimental dos pontos 3D usada para calibrar o sistema desenvolvido Figura 5.32: Pormenor do zero do sistema de coordenadas 3D usado para calibrar o sistema desenvolvido Figura 5.33: Interface desenvolvida durante este trabalho para a aquisição dos pontos 3D necessários para a calibração do sistema Figura 5.34: Pontos 3D adquiridos 3D para calibrar o sistema desenvolvido: Eixo 1 segundo xx; Eixo 2 segundo zz; Eixo 3 segundo yy Figura 5.35: Funções de transferência: a) Função de transferência dos neurões da camada escondida; b) Função de transferência dos neurões da camada de saída (imagens de [Demuth, 2005]) Figura 5.36: Arquitectura da rede de base radial utilizada: R - número de entradas; S1 - número de neurões na camada escondida; S2 - número de neurões na camada de saída (imagem adaptada de [Demuth, 2005]) Figura 5.37: Sistema protótipo desenvolvido para a aquisição e análise do movimento mandibular 3D Figura 5.38: Preparação do sistema protótipo desenvolvido para a aquisição e análise do movimento mandibular 3D Figura 5.39: Preparação do arco facial: substituição das peças auriculares Figura 5.40: a) Colocação do arco facial no paciente; b) Pormenor da peça auricular desenvolvida neste trabalho; c) Sistema pronto para a aquisição do movimento Figura 5.41: Marcação CE que deverá ser aposta no dispositivo desenvolvido (imagem da Portaria nº 136/96 de 3 de Maio) xv

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19 Índice de Tabelas Tabela 2.1: Dentição de leite (dados de [Moore, 1999]) Tabela 2.2: Dentição definitiva (dados de [Moore, 1999]) Tabela 5.1: Características dos sensores AA da NVE Corporation (dados de [NVE, 2002]) Tabela 5.2: Características da placa de aquisição NI USB-6008 da National Instruments (dados de [NI, 2005]) Tabela 5.3: Parâmetros do comando newrb utilizado para construir a rede neuronal radial utilizada neste trabalho Tabela 5.4: Estimativa dos custos para produzir o sistema protótipo desenvolvido para a aquisição e análise do movimento mandibular 3D xvii

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21 1. Introdução à Dissertação

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23 Introdução à Dissertação 1.1: Introdução Quando se fala em desenvolvimento de produto é um equívoco pensar que se resume somente à definição da forma e das características. Pois, trata-se de um processo que ocupa um lugar de destaque nas empresas por abranger áreas tão distintas como o marketing, a engenharia, o design e o planeamento do processo de fabrico incluindo a definição dos custos. O desenvolvimento de produto pode-se referir à criação de novos produtos ou à adaptação de artigos já existentes. Geralmente, o processo é iniciado e altamente condicionado por influências internas e externas tais como encomendas, pedidos dos clientes, lacunas no mercado, ideias inovadoras ou directrizes das próprias empresas que definem as características do produto e as tarefas que este deve desempenhar. Nesta Dissertação é descrito o desenvolvimento de um novo produto: um sistema protótipo para a aquisição e análise do movimento mandibular 3D. Neste caso, o processo de desenvolvimento começou com a identificação de uma oportunidade durante uma conversa com um médico dentista. Inicialmente falou-se da articulação temporomandibular e dos problemas que ela pode causar, mas rapidamente foi apontada a necessidade de um sistema que auxiliasse o diagnóstico das disfunções temporomandibulares que fosse prático e acessível. A mandíbula humana, juntamente com a articulação temporomandibular, forma um interessante e complexo sistema biomecânico que desempenha várias funções e tem a capacidade de exercer elevadas forças com grande precisão. As anormalidades na mandíbula, além de causarem problemas estéticos, são responsáveis por cargas assimétricas na articulação que por sua vez conduzem a um desenvolvimento desigual dos músculos e a dores na articulação e, uma vez que a articulação é essencial para morder e mastigar, a dor é incapacitante e reduz consideravelmente a qualidade de vida de quem a sente. Grande parte da população padece de dores de cabeça, dores no pescoço, dores na face, sensação de assobio, vertigens e dor nos ouvidos. Muitas vezes diz-se que este mal-estar está na cabeça dos pacientes ou é o resultado do stress e procura-se aliviar as dores recorrendo a analgésicos. No entanto, estes sintomas Isa Cristina Teixeira Santos 3

24 Introdução à Dissertação podem significar problemas na articulação temporomandibular. Para um correcto diagnóstico o padrão do movimento mandibular deve ser estudado, pois a existência de desvios nos movimentos pode ser revelador quanto à presença ou não de problemas a nível da articulação. O conhecimento do movimento mandibular é importante no estudo do movimento condilar, da fala, da mastigação e dos movimentos musculares. Em Medicina Dentária, a cinemática mandibular é essencial para simular as articulações temporomandibulares, posicionar os modelos dos dentes em articuladores e reproduzir os movimentos mandibulares de modo a garantir uma oclusão satisfatória. A peculiar construção da articulação permite que a mandíbula se mova segundo seis graus de liberdade tornando complexa a aquisição do movimento. Actualmente, existem vários dispositivos que permitem fazer a aquisição e a avaliação do movimento mandibular com grande exactidão mas, tanto os sistemas comerciais correntes como os dispositivos desenvolvidos à medida, são considerados demasiado caros e de difícil utilização comum, pelo que geralmente o seu uso é restrito. Perante esta situação, procurou-se desenvolver durante este trabalho um sistema económico, fácil de utilizar e que tivesse elevada exactidão. No desenvolvimento do sistema protótipo foi adoptado um processo de desenvolvimento de produto estruturado: foi identificada uma oportunidade, foram definidas as especificações do produto, foram definidos conceitos e a arquitectura do mesmo, e finalmente foram desenvolvidos e testados protótipos. As especificações do produto foram definidas, juntamente com um médico dentista, depois de ser realizado um estudo sobre anatomia dentária e a articulação temporomandibular, e os conceitos só foram desenvolvidos depois de ser feito um levantamento sobre os sistemas existentes para a aquisição do movimento mandibular. No protótipo desenvolvido neste trabalho, foram utilizados sensores electromagnéticos para registar o movimento de um pequeno íman colado junto ao ponto incisivo da mandíbula do paciente; esta tecnologia foi escolhida por permitir efectuar medições sem contacto e por ser de baixo custo. No sentido de reduzir custos e generalizar o uso do sistema, em vez de se conceber um novo suporte para os sensores, foi adaptado um arco facial comum em Isa Cristina Teixeira Santos 4

25 Introdução à Dissertação Medicina Dentária. Assim, foi escolhido um arco facial recente e compatível com vários articuladores; posteriormente, algumas das suas peças foram redesenhadas para melhorar o desempenho na sua nova função e foi criado um suporte dedicado para os sensores. Para a aquisição do sinal dos sensores foi usado o módulo NI 6008 da National Instruments e o software LabVIEW. Com esta ferramenta foi desenvolvida uma aplicação para visualizar e analisar o movimento mandibular 3D. Procurou-se que a interface criada fosse intuitiva, e que o médico dentista pudesse registar todas as informações relevantes para o diagnóstico das disfunções temporomandibulares. Durante a criação da interface, surgiu a necessidade de converter a tensão registada pelos sensores electromagnéticos em coordenadas cartesianas de modo a traçar a trajectória 3D do íman. Para este efeito, foi criado um algoritmo a que se chamou algoritmo do ponto mais próximo e também foram experimentadas redes neuronais. Como o processo do desenvolvimento do produto só termina quando este é comercializado, foram indicados os procedimentos necessários para a comercialização em Portugal de um dispositivo médico. Também foram apontados alguns dos custos envolvidos na produção do sistema. 1.2: Organização da Dissertação Esta Dissertação descreve o desenvolvimento de um novo sistema protótipo para a aquisição do movimento mandibular 3D, que inclui uma aplicação computacional desenvolvida em LabVIEW para visualizar e analisar o movimento adquirido. Esta Dissertação é constituída por seis capítulos e um anexo. Em seguida, são descritos resumidamente os restantes cinco capítulos e o referido anexo. No capítulo seguinte apresenta-se sucintamente a anatomia dentária. É feita uma descrição da articulação temporomandibular, dos músculos e ligamentos envolvidos no movimento mandibular, e os vários movimentos da mandíbula são explicados assim como alguns dos factores que os influenciam. Isa Cristina Teixeira Santos 5

26 Introdução à Dissertação No terceiro capítulo fala-se das disfunções temporomandibulares e do seu diagnóstico. Neste capítulo também são apresentados alguns dos sistemas existentes para a aquisição e análise do movimento mandibular. O quarto capítulo desta Dissertação começa com uma introdução teórica ao desenvolvimento do produto. Posteriormente descreve-se, sucintamente, o procedimento adoptado no caso de desenvolvimento de produto e são explicados os passos a tomar na comercialização de um dispositivo médico. No capítulo seguinte, o desenvolvimento do sistema protótipo é relatado detalhadamente. No último capítulo são apresentadas algumas conclusões finais e indicadas várias propostas para trabalhos futuros. No final desta Dissertação, incluiu-se um anexo com vários diagramas de blocos referentes à programação da interface desenvolvida usando a ferramenta LabVIEW. 1.3: Principais contribuições do trabalho desenvolvido Apesar do movimento mandibular ser importante no diagnóstico de problemas da articulação temporomandibular são poucos os médicos dentistas que possuem equipamento adequado para proceder à sua aquisição. Com esta Dissertação procurou-se chamar a atenção para esse facto e desenvolver um sistema protótipo para a aquisição e análise do movimento mandibular 3D que fosse prático e acessível. Para melhor compreender o problema estudou-se anatomia dentária e a articulação temporomandibular e foram descritos alguns dos sistemas existentes para a aquisição do movimento mandibular. Procurou-se que o processo do desenvolvimento do sistema protótipo fosse um processo de desenvolvimento de produto estruturado pelo que foi necessário também estudar este assunto. Tal como já foi referido, foi desenvolvido um sistema protótipo para a aquisição do movimento mandibular 3D que foi materializado recorrendo a técnicas de protipagem rápida. Isa Cristina Teixeira Santos 6

27 Introdução à Dissertação Foi criada uma aplicação gráfica para a aquisição e análise do movimento mandibular 3D, e para que ela funcionasse de forma o mais adequada possível foi necessário utilizar redes neuronais. Uma vez que foi ponderada a comercialização do sistema protótipo foram estimados custos de produção, e foram indicados os procedimentos necessários para a comercialização. Isa Cristina Teixeira Santos 7

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29 2. Introdução à Anatomia Dentária

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31 Introdução à Anatomia Dentária 2.1: Articulação temporomandibular A articulação temporomandibular faz a ligação entre o osso temporal e a mandíbula; mais precisamente, entre o côndilo da mandíbula, a eminência articular e a fossa do osso temporal, Figura 2.1. Figura 2.1: Articulação temporomandibular (imagem adaptada de [Moore, 1999]). Esta articulação é constituída por ossos, a porção anterior da fossa mandibular, a eminência articular do osso temporal e o côndilo da mandíbula, ligamentos, disco articular e membrana sinovial. As superfícies funcionais do côndilo (a face anterior) e da eminência articular (a inclinação posterior) estão cobertas por uma camada de tecido fibroso. Entre o côndilo e o osso temporal, encontra-se o disco articular. O disco articular [Williams, 1995], uma lâmina oval de tecido fibroso com uma forma bicôncava, divide a articulação num compartimento superior e outro inferior. Frequentemente, este disco é incompleto e perfurado de variadas formas. A sua principal função é permitir o movimento do côndilo reduzindo assim o risco de trauma: o disco adapta e estabiliza o côndilo em repouso e em movimento, distribui as pressões por uma área maior, e preenche os espaços vazios de modo a permitir maior equidade na dinâmica articular. Isa Cristina Teixeira Santos 11

32 Introdução à Anatomia Dentária A fossa mandibular é uma depressão oval ou oblonga do osso temporal; é limitada pela eminência articular, pela raiz longitudinal do processo zigomático do temporal, pela parede anterior do meato acústico externo e pela parte timpânica do osso temporal. A forma da fossa mandibular corresponde, aproximadamente, às superfícies posterior e superior da cabeça da mandíbula. O côndilo é convexo em toda a superfície articular, porém, achatado posteriormente, apresentando-se com uma saliência arredondada e sendo mais amplo lateromedialmente do que antero-posteriormente. Os longos eixos do côndilo estão num plano lateral, e à primeira vista, parecem estar desalinhados, porque se fossem prolongados encontrar-se-iam num ponto anterior ao forame magno formando um ângulo de, aproximadamente, 135º [Major, 1987]. O côndilo é perpendicular ao ramo da mandíbula : Ligamentos A articulação temporomandibular é um exemplo de uma diartrose 1 cujos movimentos são uma combinação de movimentos de charneira e de deslizamento. A cápsula fibrosa está inserida nas margens da área articular do osso temporal e à volta do colo da mandíbula. A articulação tem uma membrana sinovial superior e outra inferior; a superior, reveste a cápsula e a parte superior do disco enquanto que a inferior, reveste a parte inferior do disco e a cápsula. A ligação da mandíbula ao crânio é feita pelos ligamentos temporomandibular lateral, esfenomandibular e estilomandibular, Figura 2.2. O ligamento temporomandibular lateral está inserido na parte superior do zigoma e na face lateral e na parte inferior da margem posterior do colo da mandíbula. Por sua vez, o ligamento esfenomandibular é uma faixa fina, achatada, que desce da espinha do osso esfenóide e se alarga para alcançar a língula do forame da mandíbula; na mecânica da mandíbula, a função deste ligamento é desprezível. Já o ligamento estilomandibular é um feixe especializado da fáscia cervical profunda, que se estica do ápice e da face anterior adjacente do processo estilóide até ao ângulo da mandíbula e à margem posterior. Finalmente, o ligamento pterigoespinhal estende-se entre a espinha do osso esfenóide e a borda 1 As diartroses são articulações móveis. Isa Cristina Teixeira Santos 12

33 Introdução à Anatomia Dentária posterior da lâmina lateral do processo pterigóideo próximo da extremidade superior; algumas vezes ossificado, ele completa um forame que dá passagem para os ramos do nervo mandibular para o temporal, masseter e pterigóideo lateral. a) b) c) Figura 2.2: A articulação temporomandibular: a) vista lateral; b) vista medial; c) secção sagital (imagens adaptadas de [Williams, 1995]) : Músculos Os músculos masseter, temporal e pterigóideos estão directamente relacionados com os movimentos da mandíbula durante a mastigação, deglutição e fala, Figura 2.3. O músculo temporal estende-se como um leque a partir da fossa temporal; ao passar pelo arco zigomático, forma um tendão que se insere na borda anterior e na superfície mesial do processo coronóide da mandíbula, e ao longo da margem anterior do ramo. Este músculo apresenta três componentes e parece comportar-se como se estes componentes fossem distintos e independentes. O temporal é responsável pela elevação da mandíbula, quando se fecha a boca e se aproximam os dentes; também está relacionado com os movimentos laterais da trituração e na retrusão. Por outro lado, o músculo masseter é um músculo quadrilátero que se estende do arco zigomático ao ramo da mandíbula. A sua principal função é a elevação da mandíbula, embora também possa auxiliar na projecção simples; tem um papel dominante na elevação da mandíbula. Isa Cristina Teixeira Santos 13

34 Introdução à Anatomia Dentária a) b) Figura 2.3: a) Músculo temporal esquerdo; b) Músculos pterigóideos esquerdos (imagens de [Williams, 1995]). Por sua vez, o pterigóideo medial é um espesso músculo quadrilátero que começa na superfície medial da lâmina lateral do processo pterigóideo do osso esfenóide e do osso palatino e termina no forame da mandíbula. Este músculo tem como principais funções elevar e desviar lateralmente a mandíbula, sendo também activo durante a protrusão 2. Finalmente, o pterigóideo lateral é um músculo curto e espesso com uma cabeça superior proveniente da superfície infratemporal e da crista da asa maior do osso esfenóide, e uma cabeça inferior proveniente da face lateral da lâmina lateral do processo pterigóideo. A função principal deste músculo é a projecção do côndilo, enquanto dirige o disco para a frente. O músculo pterigóideo parece relacionar-se com todos os graus do movimento de projecção e de abertura da mandíbula. Durante os movimentos de lateralidade, este músculo é auxiliado pelos músculos masseter, pterigóideo médio e temporal. A inserção do músculo digástrico faz-se próximo da margem inferior da mandíbula e próximo da linha mediana. Existe um tendão, entre os seus ventres anterior e posterior, que está fixo por uma fita de tecido conjuntivo ao osso hióide. O ventre anterior está recoberto pelo músculo platisma e, abaixo, encontra-se o músculo milo-hióideo. A zona anterior do digástrico, junto com outros músculos supra-hióideos e com o músculo pterigóideo lateral, relaciona-se com a descida da mandíbula, sendo mais proeminente no fim da descida mandibular. 2 A protrusão é o movimento de avanço da mandíbula. Isa Cristina Teixeira Santos 14

35 Introdução à Anatomia Dentária Os dois músculos genioióideos dirigem-se para baixo e para trás, a partir das bordas milo-hióideas, no lado lingual da mandíbula e inserem-se no osso hióide. A função destes músculos é semelhante àquela dos músculos digástricos, na descida e retracção 3 da mandíbula. Estes músculos também elevam o osso hióide durante a deglutição. 2.2: Movimentos A mandíbula pode ser descida ou elevada, protruída ou retruída, e pode rodar em torno de um eixo horizontal; apesar de ambas as articulações agirem juntas, o movimento de cada uma pode deferir ao longo de um movimento real. Estas acções envolvem movimentos de charneira (rotação), movimentos de deslizamento e movimentos de translação. As posições básicas da mandíbula são: oclusão cêntrica (OC) ou posição intercuspídica (PI), relação cêntrica (RC) ou posição de contacto retrusiva e posição de repouso (PR). A oclusão cêntrica, é definida como a máxima intercuspidação dos dentes; também pode ser chamada de oclusão central, posição intercuspidiana, posição dentária, cêntrica adquirida ou cêntrica habitual. Nesta posição, as cúspides dos dentes inferiores e superiores interrelacionam-se de forma máxima. A relação cêntrica corresponde à trajectória de abertura e de fecho sem translação das cabeças da mandíbula, na qual os côndilos estão em posição mais superior e medial na fossa mandibular. Na posição de repouso, os dentes superiores e inferiores estão ligeiramente afastados. Esta posição é uma posição postural da mandíbula determinada amplamente pela actividade neuromuscular e, em menor grau, pelas propriedades visco elásticas dos músculos. Muitos factores, como a tensão emocional e factores periféricos (como dores de dentes) influenciam esta posição impedindo de ser utilizada como referência para transferir as relações da mandíbula a um 3 A retracção é o movimento de recuo da mandíbula. Isa Cristina Teixeira Santos 15

36 Introdução à Anatomia Dentária articulador 4. A posição de repouso está relacionada com o espaço interoclusal: esta distância, com a madibula na posição de repouso e cabeça na posição vertical, é de cerca de 1 a 3 mm nos incisivos, com uma variação normal considerável de 8 a 10 mm (sem evidência de disfunção) [Major, 1987]. A Figura 2.4, mostra os movimentos dos côndilos num ciclo completo de abertura e de fecho da boca. A partir da posição de repouso, quando se abre a boca, os côndilos giram sobre um eixo horizontal comum e deslizam para a frente e para baixo sobre as faces inferiores dos seus discos articulares. Por sua vez, estes discos deslizam na mesma direcção sobre os ossos temporais, devido às suas inserções nas cabeças das mandíbulas e à contracção dos músculos pterigóideos laterais puxando as referidas cabeças e discos para os tubérculos articulares. O deslizamento do disco termina quando as suas inserções fibroelásticas posteriores nos ossos temporais são esticadas até ao limite. O basculamento e deslizamento ulteriores colocam-nos em articulação com as partes mais anteriores dos discos à medida que a boca se abre totalmente. No fecho, os movimentos são invertidos: cada cabeça desliza para trás e báscula sobre o disco respectivo, ainda sustentado pelo músculo pterigóideo lateral que relaxa para permitir ao disco deslizar para trás e para cima na fossa mandibular. O trajecto efectuado pelos eixos de rotação transcraniais dos cônilos aquando da abertura da mandíbula chama-se guia condilar e pode ser medido apartir do plano Frankfurt (orbital ao tragos) 5. Usando equipamento específico, tal como pantógrafos ou cinesiógrafos é possível registar os movimentos da mandíbula em relação a um plano de referência (plano sagital ou médio, horizontal e frontal). Assim, traçando a trajectória descrita pelo ponto incisivo, localizado nas margens incisais dos dois incisivos centrais inferiores, no movimento máximo de lateralidade e de protrusão, no movimento retrusivo e no movimento máximo de abertura, é possível definir os movimentos bordejantes ou de envelope. Todos os movimentos funcionais e parafuncionais ocorrem durante esses movimentos, [Major, 1987; Koolstra, 2001]. 4 O articulador é um instrumento onde são montados os moldes dos dentes que é utilizado para reproduzir as relações entre a mandíbula e o maxilar. Estas relações são registadas recorrendo a um arco facial, [Ogden, 1995]. 5 O plano Frankfurt é um plano que passa pelo ponto mais baixo da orbital esquerda e pelo ponto mais alto de cada uma das margens externas do meato auditivo, [Ogden, 1995]. Isa Cristina Teixeira Santos 16

37 Introdução à Anatomia Dentária Figura 2.4: Modificações das relações do côndilo da mandíbula, o disco articular e a face articular do osso temporal durante uma abertura completa (A>D) e fecho (D>A) do ciclo da boca (imagem de [Williams, 1995]). A Figura 2.5 ilustra os movimentos bordejantes mandibulares registados no plano sagital. Se a mandíbula for mantida para trás e para cima, pode ser traçado um movimento de bisagra para os incisivos inferiores, de CR para B (uma distância de cerca de 1 mm, mais raramente entre 2 a 3 mm [Major, 1987]). Este Isa Cristina Teixeira Santos 17

38 Introdução à Anatomia Dentária movimento, chamado de movimento de bisagra terminal da mandíbula 6, mantém um eixo de rotação estacionário, C, através das duas articulações temporomandibulares geralmente localizadas nos côndilos. Esta posição denota o intervalo funcional posterior da mandíbula, e tem sido definida como a posição mais posterior da mandíbula a partir da qual podem ser realizados confortavelmente os movimentos de abertura e de lateralidade. Eixo de rotação Eixo de rotação e fecho D Figura 2.5: Representação esquemática do movimento mandibular bordejante no plano sagital: CR - relação cêntrica; CO - oclusão cêntrica; F - protrusão máxima; PR - posição de repouso; E - abertura máxima; B e CR - abertura e fecho sobre o eixo de rotação, sem mudança no raio (r) (imagem adaptada de [Major, 1987]). Em condições fisiológicas normais do sistema mastigador, este centro de rotação e o trajecto dos movimentos mandibulares são constantes e reprodutíveis, desde que os côndilos assentem contra o menisco no fundo da fossa glenóide. Quando se tenta abrir a mandíbula em trajecto retrusivo, Figura 2.5, abaixo de B, o eixo de rotação passa para D, ligeiramente atrás do forame mandibular, os côndilos movem-se para baixo e para a frente e o ponto incisivo move-se para E. Naturalmente, o movimento realiza-se ainda ao redor do eixo intercondilar, que continua o seu movimento para baixo e para a frente. O fecho com a mandíbula numa posição para a frente, ou protrusiva, segue o trajecto de E para F, enquanto que o côndilo localiza-se sobre o tubérculo articular. Quando os dentes posteriores 6 Este movimento também pode ser chamado de relação central, posição de bisagra terminal, posição de contacto retruído ou de posição ligamentosa (por ser determinado pelos ligamentos e pela estruturas da articulação temporomandibular). Isa Cristina Teixeira Santos 18

39 Introdução à Anatomia Dentária entram em contacto, o fecho protrusivo interrompesse em F. O trajecto de F para CO, com os dentes ainda em contacto, é determinado pela relação oclusal entre os dentes de ambos os arcos. A posição de CO, isto é, fecho completo, é determinada pela intercuspidação máxima dos dentes. O trajecto entre as posições CR e CO da Figura 2.5, ou o movimento cêntrica em deslize, é realizado quando os dentes entram em contacto em relação central (CR) e as maxilas deslizam conjuntamente em oclusão central (CO). O deslizamento é frequentemente uma combinação de movimentos para a frente e para os lados. A partir da posição de repouso, PR da Figura 2.5, quando se abre a mandíbula, o ponto incisivo segue o trajecto de R para E, e o côndilo move-se para a frente e para baixo, com um centro de rotação próximo de D. Com o toque entre dentes superiores e inferiores, em ligeiro contacto inicial a partir de R, é atingida uma posição próxima de CO; entretanto, o contacto inicial depende da postura devido à memória muscular dos contactos oclusais e ao equilíbrio muscular. A Figura 2.6 ilustra os movimentos mandibulares no plano horizontal quando os dentes não estão em oclusão. Os movimentos bordejantes para o ponto incisivo podem ser esboçados por um traçado de arco gótico, ou traçado de Gyst, que pode ser registado em vários graus de abertura. Com a mandíbula na posição de bisagra estacionária ou relação central, o ponto CR corresponde à relação central. À medida que a mandíbula se move em movimentos de lateralidade retrusiva, o ponto incisivo registra a linha de CR para RL. A partir de RL, a mandíbula pode ser movimentada para a frente e medialmente ao ponto P. Um traçado semelhante pode ser realizado considerado o outro lado, de CR para LL. O deslocamento lateral da mandíbula, chamado movimento de Bennett, é medido pela distância com que se move o côndilo do lado de trabalho, de C para W na Figura 2.6. O côndilo oposto move-se para baixo, para a frente e para dentro, e realiza um ângulo (BG) 7 com o plano mediano, quando projectado perpendicularmente sobre o plano horizontal. O movimento lateral pode ter componentes imediatos, bem como componentes progressivos. No lado de trabalho, o côndilo em rotação pode mover-se lateralmente de C para W cerca de 3 mm [Major, 1987]. O movimento lateral pode ter um componente retrusivo ou 7 Este ângulo (BG) é chamado ângulo de Bennet. Isa Cristina Teixeira Santos 19

40 Introdução à Anatomia Dentária protrusivo, ou mover-se rectilínea e lateralmente. O movimento pode terminar em qualquer ponto num triângulo de 60 graus. Figura 2.6: Movimento lateral direito da mandíbula, com representação esquemática do movimento no ponto incisivo no plano horizontal (CR, LL, P, RL) e na cabeça da mandíbula (W, C, B, P): CR - relação cêntrica; LL - lateral esquerda; P - protrusiva; RL - lateral direita; CO - oclusão cêntrica; BG ângulo de Bennett; de C a P - movimento protrusivo (imagem de [Major, 1987]). Os modelos de movimentos mandibulares registados no plano frontal, Figura 2.7, variam grandemente com o tipo de relações de contacto oclusal. Com oclusões excelentes e com movimentos mastigatórios desinibidos, o ciclo mastigatório tem uma forma razoavelmente uniforme do tipo oval larga. No ciclo mastigatório, o retorno ou a abertura a partir da oclusão central é muito irregular e pode mesmo inverter-se próximo ao trajecto do golpe de fecho. Mais comum em pessoas com liberdade irrestrita de movimentos de contacto oclusal é um trajecto suave não cruzado de movimentos, que retorna muito proximamente à mesma posição fechada para todo o golpe mastigador. O contacto oclusal durante a mastigação ocorre quase invariavelmente em oclusão central, mas na maioria dos ciclos Isa Cristina Teixeira Santos 20

41 Introdução à Anatomia Dentária existem contactos oclusais para parte do movimento de fecho e mesmo, ocasionalmente, no movimento de abertura. Figura 2.7: Figura de Posselt no plano frontal (imagem de [Weingärtner, 1997]). O movimento máximo de abertura é de 50 a 60 mm, dependendo da idade e do tamanho do indivíduo, entretanto um limite de 40 mm pode ser normal. O movimento de lateralidade máxima, na ausência de problemas na articulação e sem dor, é cerca de 10 a 12 mm. 2.3: Oclusão Nos dicionários, oclusão refere-se ao acto ou efeito de fechar, encerramento. Em Medicina Dentária, os conceitos de oclusão variam com a especialidade. Comum a muitas delas é a definição de oclusão estática, na qual os dentes superiores, por intermédio de zonas específicas, contactam com os dentes inferiores : Desenvolvimento da oclusão Os dentes decíduos ou de leite, Figura 2.8, irrompem, geralmente, numa sequência de anterior para posterior; isto é, na ordem incisivos, caninos e molares, Tabela 2.1. O período de erupção destes dentes é devido, em grande parte, à hereditariedade e, em pequena parte, a factores ambientais. O desenvolvimento e Isa Cristina Teixeira Santos 21

42 Introdução à Anatomia Dentária a erupção dos dentes de leite são quase independentes do desenvolvimento e maturação da criança como um todo. No entanto, o significado de factores ambientais locais no desenvolvimento da oclusão, considerada no seu sentido amplo, é relativamente desconhecido. Assim, a aprendizagem da mastigação pode ser bastante dependente do estágio de desenvolvimento da oclusão (tipo e número de dentes presentes), da maturação do sistema neuromuscular e de outros factores como o regime alimentar. Figura 2.8: Dentição de leite (imagens adaptadas de [ADMT, 2005]). Tabela 2.1: Dentição de leite (dados de [Moore, 1999]). Incisivo Incisivo médio lateral Canino 1º molar 2º molar Erupção (meses) 6 a 8 8 a a a a 24 Queda (anos) 6 a 7 7 a 8 10 a 12 9 a a 12 A forma do arco primário é do tipo oval e a sua largura é estabelecida aos 9 meses de idade, tanto para a dentição de leite como para a permanente [Major, 1987]. Esta afirmação é algo surpreendente quando se compara a face de uma criança com a de um jovem adulto, mas o que sucede é o aumento da dimensão antero-posterior dos maxilares para a integração dos molares permanentes. A posição dos dentes de leite nos arcos mostra, em geral, um certo espaçamento interdental que tende a desaparecer com a erupção dos dentes definitivos. A sequência de erupção dos dentes permanentes varia mais do que a decídua e não segue o mesmo padrão antero-posterior, Figura 2.9, Tabela 2.2. Além disso, há diferenças significativas na sequência de erupção dos dentes superiores e inferiores Isa Cristina Teixeira Santos 22

43 Introdução à Anatomia Dentária que não aparece na dentição primária. A sequência de erupção dos dentes permanentes pode então variar, sendo a apresentada na Figura 2.10 a ideal para a prevenção da maloclusão 8. No caso dos segundos molares irromperem antes dos pré-molares estarem completamente erupcionados, dá-se um encurtamento significativo do perímetro do arco que vai dar origem a maloclusão, mesmo que as dimensões do arco alveolar sejam adequadas para o tamanho da dentição permanente. Figura 2.9: Dentição definitiva (imagem adaptada de [ADMT, 2005]). Erupção (anos) Incisivo médio Tabela 2.2: Dentição definitiva (dados de [Moore, 1999]). Incisivo 1º prémolamolar 2º pré- 1º Canino laterais molar 2º molar 3º molar 7 a 8 8 a 9 10 a a a 12 6 a a 25 No caso da dentição permanente, também os dentes inferiores irrompem antes dos superiores. Esta tendência inverte-se em relação aos pré-molares, devido à diferença no período de erupção dos caninos em ambos os arcos. Assim, no arco inferior e superior o canino irrompe antes do pré-molar. 8 A maloclusão pode ser definida como qualquer desvio da oclusão normal (tanto do ponto de vista morfológico como do funcional). Este termo também se pode referir a uma oclusão instável. Isa Cristina Teixeira Santos 23

44 Introdução à Anatomia Dentária Figura 2.10: Sequência eruptiva favorável dos dentes permanentes (imagem de [Major, 1987]). Uma parte importante do arco dental no desenvolvimento da oclusão dos dentes permanentes é o segmento pré-molar. Nesse segmento, os dentes prémolares apresentam dimensões mésio-distais significativamente menores do que os molares primários que lhe substituem. A dinâmica desta modificação nas dimensões do arco, particularmente no arco inferior, é importante para uma correcta compreensão do desenvolvimento da oclusão e da maloclusão. Um ponto complexo na análise da dentição mista é a diminuição do perímetro do arco durante o crescimento da mandíbula. O perímetro do arco da dentição permanente, medido a partir da face mesial dos primeiros molares inferiores, diminui em média cerca de 4 mm. Isto ocorre ao mesmo tempo que a mandíbula e o osso basal verificam um crescimento posterior significativo. Devido a essa mudança ser observada em maior extensão na mandíbula do que na maxila, e devido ao facto dos molares inferiores apresentarem uma acentuada tendência para o desvio mesial, as relações oclusais estão activas durante os últimos estágios da dentição mista. Parte do espaço que se torna disponível pelo espaço compensatório 9 deve ser utilizado para o alinhamento dos incisivos inferiores uma vez que esses dentes irrompem com uma média de 1,6 mm de apinhamento. O espaço remanescente será utilizado pelos molares inferiores. Esse movimento do molar inferior corrige uma relação molar normal na dentição mista e na relação molar normal na dentição permanente; isto é, a cúspide mésio-vestibular do primeiro molar superior oclui na fossa central do primeiro molar inferior (relação molar classe I de Angle). 9 O espaço compensatório é a diferença em tamanho entre os pré-molares e os molares decíduos. Isa Cristina Teixeira Santos 24

45 Introdução à Anatomia Dentária 2.3.2: Forma do arco dental Os dentes superiores, bem como os inferiores, estão posicionados de tal modo a formar um arco quando visto por oclusal 10. Este arco é, em grande parte, determinado pela forma do osso basal. De um modo geral, as más posições dos dentes não alteram a forma do arco, mas se vários dentes estão mal posicionados, podem-se verificar irregularidades ou assimetrias. A forma do arco, como é definido pelo centróide dos dentes (centro da forma oclusal), é uma curva parabólica. A forma foi descrita como sendo um segmento de elipse, mas existem variações em forma de U (forma quadrada) e cónica. O arco cónico, geralmente, aparece no arco superior como consequência de um estreitamento patológico da porção anterior do palato pelo hábito de chuchar no dedo. As modificações na forma do arco dental, dentro de limites anatómicos, não têm efeito significativo na oclusão. A forma do arco maxilar tende a ser mais larga do que na mandíbula, ocasionando uma passagem dos dentes superiores sobre os inferiores, quando em oclusão cêntrica (posição da máxima intercuspidação). Esta relação do arco dental tem a vantagem de, durante a abertura e fecho da boca, as bochechas, os lábios e a língua terem menos probabilidades de serem mordidos. Uma vista lateral ou antero-posterior dessa ultrapassagem é designada de sobressaliência. Apesar da forma geral do arco dental poder ser elíptica, as superfícies vestibulares não estão todas no contorno da elipse. Certos dentes (nomeadamente, o incisivo lateral superior, os caninos superior e inferior e o primeiro molar superior), devido ao seu tamanho ou forma, estão posicionados ligeiramente para vestibular ou lingual da elipse ideal (em U ou segundo a forma cónica). Os incisivos superiores estão posicionados de tal modo que as suas faces linguais e dos caninos descrevem uma curva suave. Devido à menor espessura vestíbulo-lingual dos incisivos laterais superiores, a face vestibular dos mesmos está mais lingualmente colocada. A maior dimensão vestíbulo-lingual dos caninos coloca a sua face vestibular em posição mais saliente, em relação a uma elipse ideal, do que qualquer incisivo. 10 Visto lateralmente com os dentes fechados. Isa Cristina Teixeira Santos 25

46 Introdução à Anatomia Dentária A face vestibular do primeiro molar superior está localizada vestibularmente em relação à elíptica ideal, devido à largura vestíbulo-lingual desse dente. Essa face é também bastante mais angulada com a face disto-vestibular mais lingual do que com a médio-vestibular, permitindo assim à cúspide distovestibular uma oclusão mais marcada com o primeiro molar inferior. A estabilidade da oclusão e a manutenção das posições dos dentes dependem das forças que agem sobre os mesmos. Forças oclusais, forças eruptivas, forças dos lábios, das bochechas e da língua, estão todas envolvidas na manutenção da posição dos dentes e enquanto estão equilibradas, os dentes e a oclusão permanecem estáveis. Modificação na magnitude, duração ou na frequência numa destas forças originam a perda de estabilidade e o desvio dos dentes com consequente quebra duma oclusão previamente estável : Ângulos cuspídeos, cúspides guias, planos e curvas oclusais imaginários O ângulo cuspídeo é formado pelas vertentes de uma cúspide que têm intersecção com um plano que passa pela ponta da cúspide e que é perpendicular à bissectriz da cúspide. As cúspides maxilares vestibulares e mandibulares linguais são chamadas cúspides guias. Os planos oclusais internos que se dirigem para essas cúspides são chamados de planos inclinados guias, porque, nos movimentos de contacto, guiam as cúspides de suporte para fora da linha média. Existem, assim, os planos inclinados vestíbulo-oclusais 11 dos dentes maxilares posteriores, e os planos inclinados ocluso-linguais 12 dos dentes posteriores inferiores. Um plano de oclusão é um plano imaginário que contém as bordas incisais dos incisivos centrais inferiores e a ponta das cúspides distovestibulares dos segundos molares inferiores. As superfícies oclusais dos arcos dentais geralmente adaptam-se a superfícies curvas. O arco mandibular normalmente adapta-se a uma ou mais superfícies 11 Planos inclinados linguais das cúspides vestibulares. 12 Planos inclinados vestibulares das cúspides linguais. Isa Cristina Teixeira Santos 26

47 Introdução à Anatomia Dentária aparentemente côncavas, enquanto que o arco oposto apresenta uma curvatura aparentemente convexa. Von Spee [Major, 1987] notou que as cúspides e a margem incisal dos dentes, quando observados lateralmente, tendem a alinhar-se de maneira curva. Esta curva, que está dentro do plano sagital, é conhecida como curva de Spee, Figura 2.11, e é determinada pela inclinação mesio distal dos dentes póstero inferiores. Quando a curva de Spee é demasiado pronunciada pode indicar que existem obstáculos que impedem os movimentos funcionais. Figura 2.11: Curva de Spee (imagem de [Bastos, 2000]). As pontas das cúspides de molares, projectadas no plano frontal, formam a curva de Wilson, Figura Esta curva modifica-se do primeiro para o terceiro molares com o desgaste da dentição. A curva de Wilson nos primeiros molares inferiores é côncava para os dentes inferiores, numa dentição sem desgaste, mas torna-se convexa numa dentição desgastada. Já uma curva harmoniosa indica que a movimentação lateral é suave. A extensão da curva de Spee e da curva de Wilson a todas as cúspides e bordas incisais revela a curva de Monson : Angulação dos eixos dos dentes O conhecimento da angulação dos eixos dos dentes, Figura 2.13, revela-se de grande importância para a estabilidade oclusal. Apesar de não existirem regras Isa Cristina Teixeira Santos 27

48 Introdução à Anatomia Dentária absolutas para descrever as relações axiais dos dentes superiores e inferiores em oclusão cêntrica, sabe-se que cada dente está colocado no ângulo que melhor resiste às linhas de força incidentes durante a função do mesmo. Figura 2.12: Curva de Wilson (imagem de [Bastos, 2000]). Figura 2.13: Angulação dos eixos dos dentes: A incisivos; B primeiro pré-molar; C segundo prémolar; D primeiro molar; E segundo molar; F terceiro molar (imagem de [Major, 1987]). Os eixos dos dentes incisivos formam com o plano horizontal um ângulo de cerca de 60º e um ângulo mais agudo com os dentes inferiores. Os caninos estão localizados de tal modo, que os seus eixos são menos agudos seguidos pelos primeiros pré-molares que se assemelham aos caninos na forma de se posicionarem. Os eixos dos segundos pré-molares e dos primeiros molares superiores são quase paralelos ao plano horizontal. Os segundos e terceiros molares inferiores formam com a horizontal ângulos ligeiramente mais agudos que o eixo do primeiro molar. Isa Cristina Teixeira Santos 28

49 Introdução à Anatomia Dentária 2.3.5: Forma funcional dos dentes Quando os dentes de um arco entram em contacto oclusal com os seus antagonistas durante os vários movimentos mandibulares, faces curvas, que podem ser côncavas ou convexas, contactam-se. Uma face convexa, representando um segmento do terço oclusal de um dente, pode entrar em contacto com um segmento convexo ou côncavo de outro dente; no entanto, são sempre segmentos curvos que entram em contacto, Figura Figura 2.14: Os terços incisal e oclusal da coroa dental apresentam superfícies côncavas ou convexas em todas as áreas de contacto oclusal (imagem de [Major, 1987]). A face lingual dos incisivos superiores apresenta uma certa superfície côncava, onde a zona convexa da margem incisal dos incisivos inferiores entra em contacto oclusal. O contacto oclusal das cúspides, cristas marginais e sulcos dos dentes posteriores multicuspidados podem ser traduzidos pelos desenhos esquemáticos da Figura Embora os dentes em oclusão cêntrica pareçam intercuspidar intimamente, verifica-se que existem escapes. Estes escapes, que podem atingir alguns milímetros [Major, 1987], são necessários para que a oclusão seja eficiente durante a mastigação. As zonas de escape surgem em consequência das formas das cúspides, dos sulcos e dos espaços interdentais, ou ameias quando os dentes ocluem, e são alteradas quando a relação oclusal é modificada. Isa Cristina Teixeira Santos 29

50 Introdução à Anatomia Dentária Figura 2.15: A - Desenho esquemático da face mesial das coroas dos primeiros molares superiores e inferiores em relação cêntrica (foram colocados círculos dentro dos contornos das formas cuspídeas para enfatizar as curvaturas); B - Esquema das relações de contacto em dentes não desgastados; C - Modificação nas relações de contacto oclusal com o desgaste (imagem de [Major, 1987]) : Contacto oclusal Uma vista vestibular de uma dentadura normal em oclusão cêntrica mostra que cada dente de um arco oclui com porções de dois dentes do arco oposto, Figura 2.16, com excepção do incisivo central inferior e do terceiro molar superior. Cada uma das excepções apresenta somente um antagonista no arco oposto. Tal serve para equilibrar as forças de impacto na oclusão, distribuir o trabalho e auxiliar na preservação da integridade da dentadura no caso da perda de um dente. Figura 2.16: Relações vestibulares dos dentes nos arcos opostos (imagem de [Bodin, 2004]). A permanência da forma do arco depende do suporte mútuo dos dentes em contacto. Em caso de perda de um dente, os restantes tendem a ocupar o seu espaço de modo a preencher o vazio, conduzindo a uma perturbação das relações de contacto. Isa Cristina Teixeira Santos 30

51 Introdução à Anatomia Dentária Os arcos dentais formados por pares de dentes, um direito e outro esquerdo, iniciam-se na linha mediana. Cada par é constituído por dois dentes semelhantes em forma e dimensão, mas, uma vez que um é direito e o outro esquerdo, a forma de contorno inverte-se de um lado e do outro, para acomodar a situação. Os incisivos centrais só estão em contacto um com o outro na linha mediana; os outros pares estão distais aos centrais e o representante de cada par estará à direita ou à esquerda e em contacto em ambos os lados, com os representantes de outros pares. Cada arco é simétrico bilateralmente ocorrendo a divisão em metade na linha mediana. O arco mandibular é mais estreito do que o arco maxilar, quando medido nas faces vestibulares dos dentes posteriores. Esta relação é consequência das diferenças na largura mésio-distal entre os dentes anteriores superiores e inferiores (em particular os incisivos), e da projecção lingual das coroas dos dentes posteriores inferiores. O trespasse horizontal (sobressaliência) dos dentes é a característica na qual a crista incisal ou crista da cúspide vestibular dos dentes superiores, se estende vestibularmente à crista incisal, ou crista da cúspide vestibular dos dentes inferiores, quando os dentes estão em relação de oclusão cêntrica, Figura O trespasse vertical (sobremordida) dos dentes é a característica na qual a crista incisal dos dentes anteriores e superiores, estende-se abaixo da crista incisal dos dentes anteriores inferiores, quando os dentes estão em relação de oclusão cêntrica, Figura A presença do trespasse horizontal nos molares previne a mordida da bochecha. As cúspides linguais dos dentes posteriores superiores e as cúspides vestibulares dos dentes posteriores inferiores são as cúspides de suporte. Os pontos cêntricos são as áreas de contacto que uma cúspide de suporte estabelece com os dentes oponentes. A Figura 2.18, apresenta uma representação esquemática de todos os pontos cêntricos. As relações de contacto oclusal fora da oclusão cêntrica envolvem todos os movimentos mandibulares possíveis localizados dentro dos movimentos bordejantes. Esses movimentos são geralmente denominados por movimentos lateral, lateral protrusivo, protrusivo e retrusivo. Os movimentos lateral e lateral protrusivo, podem dar-se tanto para a direita como para a esquerda. Quando se Isa Cristina Teixeira Santos 31

52 Introdução à Anatomia Dentária fala em movimento lateral, frequentemente exclui-se o movimento protrusivo lateral e os movimentos básicos são reduzidos ao movimento lateral direito e esquerdo (movimentos de protrusão e retrusão). Figura 2.17: Sobressaliência e sobremordida (imagem adaptada de [ADMT, 2005]). Figura 2.18: Esquema idealizado para todos os contactos das cúspides de suporte com fossas e cristas marginais dos dentes oponentes: A - arco superior; B - arco inferior (imagem de [Ramfjord, 1984]). Durante o movimento lateral direito, a mandíbula baixa e os arcos dentais ficam separados, a mandíbula move-se para a direita e os dentes contactam nos pontos à direita da oclusão cêntrica no lado de trabalho direito. No lado esquerdo, denominado lado de balanceio, os dentes podem ou não estar em contacto. Por outro lado, durante o movimento protrusivo, a mandíbula baixa e move-se directamente para a frente fazendo com que os dentes anteriores contactem nos pontos mais favoráveis para a incisão dos alimentos. O movimento protrusivo é seguido por um movimento retrusivo até à oclusão cêntrica. Isa Cristina Teixeira Santos 32

53 Introdução à Anatomia Dentária Nos movimentos laterais de mastigação, a mandíbula vai para baixo e para a direita ou para a esquerda em oclusão cêntrica. À medida que o ciclo de movimento continua e retorna à oclusão cêntrica, as porções vestíbulo-oclusais dos molares inferiores entram em contacto com as porções oclusais dos molares superiores, lingualmente ao topo das cúspides vestibulares e em contacto com as cristas triangulares das vertentes de cada um dos lados, continuando o contacto deslizante até que a oclusão cêntrica seja completada. 2.4: Resumo A mandíbula e a articulação temporomandibular formam um complexo sistema biomecânico. A articulação temporomandibular é constituída por ossos, ligamentos, disco articular e membrana sinovial e faz a ligação entre a mandíbula e o crânio. A sua particular construção permite que a mandíbula, se mova segundo seis graus de liberdade. Os músculos masseter, temporal e pterigóideos estão directamente relacionados com os movimentos da mandíbula que pode ser descida ou elevada, retruída ou potruída e pode rodar em torno de um eixo horizontal. Para os médicos dentistas, o conhecimento da trajectória 3D do ponto incisivo projectada nos planos sagital, horizontal e frontal é importante na detecção de disfunções temporomandibulares. Vários aspectos da oclusão, tais como o seu desenvolvimento, a forma do arco dental, a forma funcional dos dentes também podem ser reveladores quanto à existências de problemas ao nível da articulação. Torna-se assim importante em Medicina Dentária a utilização de dispositivos que permitam a aquisição e análise do movimento mandibular 3D. Isa Cristina Teixeira Santos 33

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55 3. Disfunções Temporomandibulares: Causas e Diagnóstico

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57 Disfunções Temporomandibulares: Causas e Diagnóstico 3.1: Disfunções temporomandibulares A expressão disfunções temporomandibulares (DTM) tem sido usada como um termo genérico para diagnosticar dores faciais e disfunções maxilares. Apesar de ser referido como síndrome, actualmente os investigadores apoiam a ideia de que as DTM sejam um grupo de problemas relacionados com o sistema mastigatório, anormalidades morfológicas intra-articulares, mialgias, diferentes tipos de deslocamentos do disco, doenças articulares degenerativas, artrites inflamatórias, sinusais e condições congénitas e neoplásticas que afectam a articulação temporomandibular [Crusoe-Rebello, 2003]. A identificação precisa dos sintomas referidos anteriormente permite classificar as disfunções como articulares e musculares, e o seu correcto diagnóstico revela-se de grande importância para a definição do plano de tratamento mais apropriado. Os problemas temporomandibulares podem-se manifestar através de dores intensas nas articulações, mialgias nos músculos mastigadores, ruídos articulares e anomalias na cinemática mandibular [Laplanche, 2002]. A oclusão também pode ser afectada sendo responsável pelo desgaste excessivo dos dentes ou mesmo pela perda destes [Weingärtner, 1997, 1998]. Ramfjord [Ramfjord, 1984] acrescenta que as disfunções podem prejudicar (contínua ou intermitente) a audição e provocar sensação de falta de ar ou obturação nos ouvidos (nos momentos da refeição), sensação de assobio, vertigem e dor nebulosa dentro e em redor dos ouvidos. Oliveira [Oliveira, 2003] afirma que dores cervicais também podem ser resultado destas disfunções. Os dados actuais [Lapanche, 2002] revelam que não existe um paralelo anatomo-clinico; isto é, grandes alterações morfológicas não implicam obrigatoriamente impotência funcional e que não existe um método terapêutico invasivo (cirurgia, reabilitação oclusal total, etc.) que seja superior aos tratamentos convencionais. Assim sendo, o tratamento das disfunções passa pela sedação dos sintomas dolorosos, pelo aumento da mobilidade mandibular, com o objectivo de melhorar as funções mastigatórias, pela optimização das condições funcionais (posição dos côndilos, funcionamento neuromuscular, etc.) afim de Isa Cristina Teixeira Santos 37

58 Disfunções Temporomandibulares: Causas e Diagnóstico favorecer a adaptação fisiológica dos tecidos e, finalmente, pela optimização eventual das funções oclusais, com o objectivo de melhorar o compromisso entre o decurso da terapia e os benefícios desta. 3.2: Diagnóstico das disfunções temporomandibulares De modo a evitar diagnósticos imprecisos e tratamentos incorrectos, deve-se fazer um exame físico ao paciente e estudar a sua história clínica. Aquando da elaboração da história clínica, o dentista deve ouvir as queixas do paciente e indagar no sentido de recolher informações pertinentes sobre os sintomas: é importante saber quando surgiram, o tipo e a distribuição da dor, se a dor está associada a um tipo de movimento mandibular em particular, à mastigação, a um determinado momento do dia, ao bruxismo 13, etc. Também é relevante saber se existe alguma restrição ou impedimento dos movimentos mandibulares, se existem ruídos ou estalos nas articulações temporomandibulares e se existem sintomas periféricos nas mesmas articulações. Também devem ser recolhidas informações sobre a existência de artrite ou reumatismo noutras partes do corpo, mialgias ocupacionais e posturais, tensões psíquicas ou emocionais, tensão e fadiga físicas e sobre doenças e desordens sistémicas. O comportamento do paciente durante a elaboração da história clínica deve ser observado com atenção porque pode ser revelador do seu estado psíquico. O exame físico deve incluir um exame sistemático da articulação temporomandibular, da cabeça e do pescoço e algumas observações do corpo todo. Por vezes, para um correcto diagnóstico das disfunções, pode ser necessário recorrer a exames radiográficos e a testes terapêuticos. O médico dentista deve verificar se existe assimetria da face e/ou da cabeça e outras irregularidades que possam indicar hipertrofia ou atrofia dos músculos, intumescimento ou lesão traumática. O padrão do movimento mandibular também pode ser revelador quanto à existência de disfunção. Os desvios dos movimentos mandibulares podem estar 13 A palavra bruxismo é utilizada, em Medicina Dentária, para designar o ranger e desgaste dos dentes por propósitos não funcionais. Isa Cristina Teixeira Santos 38

59 Disfunções Temporomandibulares: Causas e Diagnóstico relacionados com interferências oclusais, fracturas, paralisia muscular e distúrbios na articulação. A palpação das articulações com os dentes em oclusão e em repouso, com os movimentos de abertura e fecho da mandíbula é essencial para detectar estalidos. Assim, deve-se notar se existem ruídos nas articulações, sinais de bruxismo e hiperactividade muscular. A análise funcional do sistema mastigatório deve incluir uma tentativa de localização da relação cêntrica e das interferências oclusais, na relação cêntrica e no movimento de translacção protusivo e de lateralidade da mandíbula. As facetas de desgaste sobre os dentes, a mobilidade destes e qualquer indicação traumática instável ou não equilibrada devem ser anotadas. O modo de andar e a postura do paciente podem revelar doenças ósseas e articulares, desordens musculares e doenças do sistema nervoso. O exame radiográfico é essencial para detectar alterações condilianas, fracturas ou fracturas cicatrizadas anormalmente, osteoartrite, doenças dos ouvidos, seios nasais e paranasais, alterações dentárias, doença periodontal, hiperplasia unilateral do condilo e neoplástica, [Ramfjord, 1984]. A duração do período de silêncio dos músculos masseter e temporal, obtida por electromiografia 14, pode ser útil no diagnóstico da síndrome de disfunção dos músculos e da articulação. 3.3: Aquisição e análise do movimento mandibular Segundo Laplanche [Laplanche, 2002] a análise do movimento mandibular é um elemento importante no diagnóstico do funcionamento do aparelho mastigador porque as limitações na abertura da boca, os desvios e as deflexões nas trajectórias mandibulares funcionais são muitas vezes sinais clínicos que testemunham uma cinemática condiliana perturbada. No entanto, o mesmo autor afirma que mesmo quando a análise cinemática avalia perfeitamente o grau de impotência ou da alteração funcional, não é um indicador muito sensível nem especifico do deslocamento condilano devido a fenómenos de compensação (uma sobre-rotação 14 A electromiografia faz o registro das cargas eléctricas sobre os músculos. Isa Cristina Teixeira Santos 39

60 Disfunções Temporomandibulares: Causas e Diagnóstico condiliana pode permitir uma abertura normal apesar de, por exemplo, existir uma desunião condilo-discal bilateral permanente), e à ausência da quantificação precisa dos deslocamentos mandibulares, espaciais e temporais. Esta ideia é também reforçada por Lewis [Lewis, 2000] e por Petrie [Petrie, 2003]. Actualmente, existem vários dispositivos que permitem fazer a aquisição e a avaliação do movimento mandibular e condiliano, obtendo os valores necessários para montar e ajustar correctamente os moldes dos maxilares nos articuladores, de forma a que estes reproduzam o mais fielmente possível os movimentos mandibulares dos pacientes em estudo. Tanto os sistemas comerciais correntes como os dispositivos desenvolvidos à medida, têm exactidão adequada mas são considerados demasiado caros e de difícil utilização comum, pelo que geralmente o seu uso se restringe a casos clínicos especiais e aos hospitais universitários [Kinuta, 2003; Petrie, 2003]. Um dos exames mais comuns para analisar o movimento mandibular é a axiografia. Trata-se de um registro gráfico dos movimentos condilianos: são registrados e traçados os movimentos do eixo charneira condiliano simultaneamente nos planos sagital, frontal e horizontal. Na axiografia mecânica, os traçados são feitos por marcadores, colocados sobre o eixo charneira 15, que se deslocam sobre as placas parasagitais estabilizadas por um arco pericraniano. Os deslocamentos horizontais são medidos com um comparador e os valores são depois transpostos para um gráfico. Os traçados são orientados em relação ao plano axio-orbital ( axio-orbitaire ) e a dois planos perpendiculares que definem um referencial ortonormal. Outro exame comum é a condilografia que utiliza o mesmo princípio da axiografia. Neste exame é realizada uma análise instrumental da cinemática condiliana recorrendo a um condilógrafo que traça os movimentos do eixo charneira bicondiliano, simultaneamente nos planos sagital e horizontal, nas placas sagital e sub-horizontal fixas num arco pericraniano. A pantografia é um outro método consensual para registar os movimentos mandibulares, que utiliza pantógrafos para registar os movimentos bordejantes 3D da mandíbula. 15 O princípio da axiografia reside na supressão da componente de rotação, pelo que os marcadores têm que ser colocados imperativamente sobre o eixo charneira. Isa Cristina Teixeira Santos 40

61 Disfunções Temporomandibulares: Causas e Diagnóstico Seguidamente, são resumidamente descritos alguns dispositivos comerciais e desenvolvidos à medida que permitem a análise do movimento mandibular : Sistema Zebris JMA system O sistema Jaw Motion Analyzer (JMA) da Zebris Medical GmbH (Alemanha, [ usa ultrasons para registar os movimentos mandibulares, Figura 3.1. O referido sistema é composto por três transmissores, montados num suporte que é fixo com uma cola nos incisivos inferiores, e por quatro receptores montados num arco facial ajustável à cabeça do paciente. Um computador controla a emissão dos ultrasons, e mede o tempo gasto desde a emissão até à recepção por cada um dos receptores; o tempo é então convertido em distância permitindo determinar a posição dos transmissores em relação ao arco facial. As distâncias são depois transformadas em três coordenadas cartesianas e em três ângulos de rotação, constituindo os seis graus de liberdade da posição do centro do transmissor em relação a um sistema de referência predeterminado. A trajectória é guardada num ficheiro ASCII e os vários parâmetros (ângulo de Bennett, inclinação condilar, etc.) são calculados em função do articulador desejado com os parâmetros obtidos [Enciso, 2002; Hugger, 1999]. Figura 3.1: Sistema Jaw Motion Analyzer (JMA) da Zebris GmbH (imagem de [Enciso, 2002]). O utilizador pode escolher e introduzir os pontos de referência no sistema com a ajuda de um dispositivo apropriado. Isa Cristina Teixeira Santos 41

62 Disfunções Temporomandibulares: Causas e Diagnóstico Hugger [Hugger, 1999] mostrou que os erros de medida deste sistema são independentes da extensão do movimento; este facto torna o sistema JMA apropriado para registar movimentos amplos (movimentos bordejantes) : Sistema ARCUSdigma O sistema ARCUSdigma da Kavo (Alemanha, [ derivou do JMA da Zebris GmbH. Tal como o JMA, o ARCUSdigma mede o tempo que os impulsos de ultrasons demoram desde os três transmissores colocados num suporte, que é fixo na mandíbula, até aos quatro receptores montados num arco facial, Figura 3.2. Figura 3.2: Sistema ARCUSdigma da Kavo (imagem de [ Para calcular os ângulos sagital e horizontal, essenciais para regular as guias posteriores do articulador a considerar, é necessário definir um plano em relação ao qual os movimentos serão registados, Figura 3.3; para tal, tem que se colocar o suporte inferior alinhado de modo a que os três transmissores fiquem no plano horizontal e que o eixo mais longo fique alinhado com o plano sagital e registar a posição da relação cêntrica. O passo seguinte, é o registo dos vários movimentos mandibulares. O programa computacional que acompanha o ARCUSdigma traça tangentes às trajectórias e calcula automaticamente os ângulos sagital (inclinação condiliana) e horizontal (ângulo de Bennett), [Pröschel, 2002]. Com os valores obtidos é então possível montar os moldes dos dentes no articulador desejado. Isa Cristina Teixeira Santos 42

63 Disfunções Temporomandibulares: Causas e Diagnóstico Enquanto que a maioria dos sistemas procura transferir as diferentes geometrias craniomandibulares do paciente para os simuladores mecânicos associados (os já referidos articuladores), este sistema faz o inverso, limitando assim o uso das medidas obtidas ao articulador produzido pela própria Kavo. Figura 3.3: Os quatro passos necessários para a aquisição do movimento com o sistema ARCUSdigma (imagem de [Pröschel, 2002]) : Sistema K7 Evaluation System O dispositivo K7 Evaluation System da Myotronics (USA, [ baseia-se na variação de um campo magnético para registar o movimento da mandíbula. Vários sensores montados num arco facial leve, Figura 3.4, seguem o rasto de um pequeno íman, com 12 x 6 x 3 mm de dimensões colado nas gengivas junto aos incisivos inferiores, Figura 3.5. Esta configuração é vantajosa, pois não interfere nos movimentos realizados pelo paciente e não dificulta o acesso à cavidade bucal, [Garcia, 2003; Leles, 2003]. Isa Cristina Teixeira Santos 43

64 Disfunções Temporomandibulares: Causas e Diagnóstico Figura 3.4: Sistema K7 Evaluation System da Myotronics (imagem de [Garcia, 2003]). Figura 3.5: Íman utilizado para detectar o movimento, montado sobre os incisivos (imagem de [Leles, 2003]). O sistema K7 é vendido juntamente com um programa computacional que permite gravar e rever os movimentos adquiridos, mas que não calcula o ângulo de Bennett nem a inclinação condiliana, Figura 3.6. Segundo o fabricante, este sistema é virtualmente imune a pequenos movimentos da cabeça, a objectos metálicos próximos e também a interferências electrónicas : Sistemas ópticos Leader [Leader, 2002] descreve um sistema para adquirir a cinemática mandibular durante os seus movimentos naturais utilizando um sistema de coordenadas não ortogonal móvel, Figura 3.7. No referido sistema, duas câmaras posicionadas ortogonalmente, e a sensivelmente 75 cm do paciente, registam a trajectória de sete marcadores Isa Cristina Teixeira Santos 44

65 Disfunções Temporomandibulares: Causas e Diagnóstico esféricos, cada um com 10 mm de diâmetro, montados não colinearmente num suporte adaptável aos incisivos inferiores e de 3 marcadores, cada um com 13 mm de diâmetro, montados não colinearmente num capacete. Todos os marcadores são reflectores, e quatro dos sete marcadores montados no suporte inferior são detectados por ressonância magnética ( magnetic resonance imaging - MRI). a) b) Figura 3.6: Interface gráfica que acompanha o sistema K7 Evaluation System da Myotronics (imagens de [ Figura 3.7: Paciente sentado no interior do campo de visão das duas câmaras posicionadas ortogonalmente. O paciente usa um suporte com marcadores inferiores e um capacete de referência (imagem de [Leader, 2002]). Para captar o movimento, os marcadores são iluminados por led s vermelhos, e uma imagem estática do suporte é usada para calcular a orientação entre o movimento e os marcadores MRI. As coordenadas 2D obtidas pelas duas câmaras são depois transformadas em coordenadas 3D. A estereofotogrametria permite determinar a trajectória espacial dos pontos usando tramas sucessivas duma película. Mesnard [Mesnard, 2003] aplicou esta Isa Cristina Teixeira Santos 45

66 Disfunções Temporomandibulares: Causas e Diagnóstico técnica ao estudo da cinemática da articulação temporomandibular, de modo a identificar todos os deslocamentos da mandíbula e do sistema do menisco em relação ao crânio. Três pontos de posicionamento foram associados com a maxila, e outros três pontos foram associados com a mandíbula; como os tecidos cutâneos são demasiados móveis, as zonas ósseas em questão são muito pequenas e o uso de agulhas seria muito doloroso, os pontos são assim definidos em placas que foram fixas a dois arcos dentais moldados em metil metracrilato, Figura 3.8. A cada conjunto de pontos foi definido um referencial. Os seis pontos são então adquiridos por duas câmaras de vídeo previamente calibradas, e as coordenadas dos pontos e das trajectórias são depois determinadas por um algoritmo computacional específico. a) b) Figura 3.8: Sistema desenvolvido por Mesnard: a) Molde dos dentes do paciente e a calha onde vão ser montados os alvos; b) Alvos montados no paciente (imagens de [Mesnard, 2003]). A rápida evolução das câmaras de vídeo digital de uso pessoal, permitiram que Kinuta [Kinuta, 2003] desenvolve-se um outro sistema para o registo do movimento mandibular, Figura 3.9 e Figura Este sistema utiliza apenas uma câmara, um espelho e um programa computacional para a aquisição de movimento e permite detectar de modo automático, contínuo e preciso o movimento realizado por vários marcadores. Isa Cristina Teixeira Santos 46

67 Disfunções Temporomandibulares: Causas e Diagnóstico Figura 3.9: Sistema desenvolvido por Kinuta (imagem de [Kinuta, 2003]). Figura 3.10: Imagem obtida pela câmara utilizada por Kinuta (imagem de [Kinuta, 2003]). 3.4: Resumo A expressão disfunções temporomandibulares (DTM) é usada como um termo genérico para um grupo de problemas relacionados com o sistema mastigatório, anormalidades morfológicas intra-articulares, mialgias, diferentes tipos de deslocamentos do disco, doenças articulares degenerativas, artrites inflamatórias, sinusais e condições congénitas e neoplásticas, que afectam a articulação temporomandibular. Sendo a articulação temporomandibular essencial para morder e mastigar, a dor é incapacitante e reduz consideravelmente a qualidade de vida de quem a Isa Cristina Teixeira Santos 47

68 Disfunções Temporomandibulares: Causas e Diagnóstico sente. Para um correcto diagnóstico das DTM deve-se fazer um exame físico cuidado ao paciente e estudar a sua história clínica. Existem vários sistemas para proceder à aquisição do movimento mandibular mas são considerados caros e de difícil utilização. Dos sistemas comerciais, salienta-se o sistema Jaw Motion Analyzer (JMA) da Zebris Medical GmbH e o sistema ARCUSdigma da Kavo, que utilizam os ultrasons para registar o movimento mandibular, e o sistema K7 Evaluation System da Myotronics que utiliza sensores electromagnéticos. Esta dificuldade de utilização e preço elevado dos sistemas actualmente existentes, para a aquisição e análise do movimento mandibular 3D, justificam a tentativa de desenvolvimento de um novo sistema que ultrapasse satisfatoriamente tais limitações. Isa Cristina Teixeira Santos 48

69 4. Introdução ao Desenvolvimento de Produto e Apresentação do Caso em Estudo

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71 Introdução ao Desenvolvimento de Produto e Apresentação do Caso em Estudo 4.1: Introdução ao Desenvolvimento de Produto O sucesso económico de uma empresa reside na sua capacidade de identificar as necessidades dos actuais e potenciais novos clientes, e de desenvolver rapidamente produtos que satisfaçam essas necessidades e sejam produzidos com o menor custo possível. Para atingir tais objectivos não basta definir uma boa estratégia de marketing, um plano de produção cuidado ou ter produtos com um design arrojado, é preciso ter um processo global de desenvolvimento de produto que inclua todas estas vertentes de forma integrada. Pode-se definir produto como algo que uma empresa vende aos seus clientes, e desenvolvimento de produto como o conjunto de actividades necessárias para a sua produção. Neste conjunto de actividades, inclui-se a detecção de uma oportunidade de mercado, o desenvolvimento de conceitos, a análise económica, a concepção de desenhos técnicos e modelos, a elaboração de protótipos e planos de produção, a produção de algumas unidades do produto, o teste e ensaio, a produção em larga escala, o marketing e a distribuição e venda. Vários autores (por exemplo Ulrich [Ulrich, 2000], Marxt [Marxt, 2005] e Vajna [Vajna, 2005]) afirmam que o desenvolvimento do produto é uma actividade interdisciplinar que requer a participação de (quase) todos os membros de uma empresa. A organização e o tipo de equipas depende muito das empresas envolvidas e do tipo de produtos a desenvolver, mas existem três áreas fundamentais: o marketing, a concepção e desenvolvimento, e a produção. O marketing é a área responsável pela ligação entre a empresa e os clientes; são os elementos desta área, que identificam as oportunidades de mercado e as necessidades dos clientes alvo, definem os segmentos de mercado, realizam a divulgação da empresa, definem o preço final do produto e são responsáveis pelo lançamento e pela promoção do mesmo. O papel da concepção e desenvolvimento, que inclui obviamente o design de produto, é essencial no desenvolvimento do produto porque define a forma e as propriedades físicas que melhor respondem às necessidades dos clientes alvo. Neste contexto, design inclui o design industrial (a estética, a ergonomia e as Isa Cristina Teixeira Santos 51

72 Introdução ao Desenvolvimento de Produto e Apresentação do Caso em Estudo interfaces) e a engenharia (componentes mecânicos, eléctricos, aplicações computacionais, etc.). À produção cabe a tarefa de desenvolver e operar o sistema que irá produzir o produto em causa, e tratar dos processos de compra e de distribuição de todas as matérias-primas necessárias para tal. Usualmente, o desenvolvimento de um produto não é um processo rápido, de baixo custo, nem fácil. De acordo com Ulrich [Ulrich, 2000], a maioria dos produtos precisam pelo menos de um ano até estarem concluídos, mas existem produtos que precisam de três, cinco ou mesmo dez anos. Quanto aos custos envolvidos, estes são obviamente proporcionais ao número de elementos envolvidos na equipa de concepção e desenvolvimento e ao seu nível técnico, e ao tempo despendido por estes. O desenvolvimento de um produto é um verdadeiro desafio: é preciso gerir sensatamente as relações de compromisso, ser dinâmico na tomada de decisões, dar atenção aos mais insignificantes pormenores, terminar o desenvolvimento em tempo útil, de modo a satisfazer as necessidades actuais dos clientes, e ter sempre em atenção o custo final. O processo de desenvolvimento de um produto é uma sequência de actividades, na sua maioria intelectuais e organizacionais, que as empresas utilizam para conceber, desenhar, produzir e comercializar um determinado produto. Algumas empresas seguem planos de desenvolvimento detalhados, enquanto outras são incapazes de descrever o seu processo criativo. No entanto, processos de desenvolvimento de produto bem definidos são preferíveis por ajudarem a garantir um nível de qualidade adequado, facilitarem a coordenação entre os diferentes membros da equipa, auxiliarem a planear e gerir correctamente todas as situações existentes, e por garantirem a existência de um registo adequado de todas as actividades envolvidas, para que mais tarde seja possível melhorar o mesmo produto e o seu ciclo de vida e de produção. A Figura 4.1 ilustra um processo genérico de desenvolvimento de um produto. Normalmente, este processo é composto por seis fases: planeamento, desenvolvimento de conceitos, projecto de sistemas, projecto de detalhe, ensaios e refinamento e, finalmente, o lançamento em produção. Isa Cristina Teixeira Santos 52

73 Introdução ao Desenvolvimento de Produto e Apresentação do Caso em Estudo O planeamento é muitas vezes referido como a fase 0 de um produto, uma vez que antecede a aprovação do projecto e o lançamento do desenvolvimento do mesmo. Esta fase inicia-se com a definição de uma estratégia adequada e a avaliação da tecnologia envolvida e do mercado alvo. Desta etapa resulta um documento intitulado declaração da missão do projecto ( project mission statement ) que especifica o mercado alvo, os objectivos do negócio, os pressupostos assumidos ( key assumptions ) e as restrições. Planeamento Desenvolvimento de conceitos Arquitectura do sistema Projecto de detalhe Teste e refinamento Lançamento em produção Figura 4.1: Processo genérico de desenvolvimento de produto (imagem adaptada de [Ulrich, 2000]). Durante o desenvolvimento de conceitos, as necessidades do mercado alvo são identificadas, desenvolvidos e avaliados vários conceitos e um ou mais conceitos são seleccionados para prosseguir com o desenvolvimento do produto. Neste contexto, conceito refere-se à descrição da forma, da função e das características do produto. O projecto do sistema inclui a definição da arquitectura do produto e a decomposição deste em subsistemas e nos seus componentes. Também é comum definir durante esta fase o esquema de produção a adoptar. Geralmente, desta etapa resulta o desenho (layout) geométrico do produto, a lista de especificações de cada um dos seus subsistemas, e um diagrama preliminar da sequência de montagem do produto final. O projecto de detalhe envolve a especificação completa da geometria do produto, dos materiais utilizados, das tolerâncias dimensionais e geométricas e das qualidades superficiais dos componentes que constituem o produto, e identificação dos componentes que irão ser adquiridos a terceiros. Quando necessário, é durante Isa Cristina Teixeira Santos 53

74 Introdução ao Desenvolvimento de Produto e Apresentação do Caso em Estudo esta etapa que se fabricam os dispositivos e as ferramentas necessárias à produção interna. Durante a fase de ensaios, testes e refinamento, constroem-se e avaliam-se várias pré-produções do produto, geralmente designadas por protótipos. A derradeira fase no desenvolvimento usual de um produto é o lançamento em pré-produção. Nesta etapa, o produto é produzido usando-se já o sistema de produção final. O objectivo principal deste processo é preparar quem vai operar com o sistema de produção em larga escala e resolver alguns problemas que ainda possam persistir no ciclo de produção. Os produtos que resultam desta fase muitas vezes são enviados e testados por alguns consumidores, previamente identificados como representativos do público-alvo em questão, de forma a detectar algumas falhas ainda não determinadas. O produto diz-se lançado quando fica disponível para a sua distribuição em larga escala. 4.2: Apresentação do caso em estudo: Desenvolvimento de um sistema protótipo para aquisição e análise do movimento mandibular 3D 4.2.1: Introdução No caso concreto deste trabalho, o processo de desenvolvimento de um novo produto começou com a identificação de uma oportunidade: a ideia do desenvolvimento de um sistema para a aquisição e análise do movimento mandibular 3D surgiu durante uma conversa com um médico dentista. Assim, foi durante essa conversa que começaram a ser delineadas as primeiras necessidades do cliente. Para obter uma oclusão satisfatória é necessário simular correctamente as articulações temporomandibulares, posicionar correctamente os modelos dentários produzidos e, usando articuladores apropriados, reproduzir fielmente os movimentos mandibulares envolvidos do paciente em análise. Para tal, é necessário conhecer os dados pessoais do referido paciente: o ângulo de Bennett e a inclinação condilia (ver o segundo capítulo desta Dissertação). Apesar de serem Isa Cristina Teixeira Santos 54

75 Introdução ao Desenvolvimento de Produto e Apresentação do Caso em Estudo importantes, usualmente estes valores são pouco utilizados porque a maioria dos médicos dentistas possuem nos seus consultórios articuladores simples que usam valores médios, e assim não podem ser devidamente personalizados ao paciente em questão. Para os médicos dentistas é importante conhecer tanto a relação cêntrica 16 como os movimentos retruídos. A relação cêntrica merece consideração por ser facilmente reproduzida nos articuladores, e os movimentos retruídos são essenciais para calcular os ângulos necessários para montar nos articuladores os modelos dos maxilares produzidos para um dado paciente. De um modo geral, o conhecimento da trajectória da mandíbula não é importante, mas assume um papel de destaque na determinação das relações oclusais nos desdentados. Durante a referida conversa com o médico dentista, o facto do equipamento médico ser bastante dispendioso foi muitas vezes referido, sendo apontado como um dos motivos principais pelos quais a maioria dos profissionais da área possuírem equipamento o mais simples possível. Um outro aspecto salientado, foi a necessidade do equipamento a usar ser cómodo para o paciente e fácil de utilizar pelo seu operador, para que nenhum destes se sentisse tenso aquando da sua utilização. Conhecidas as necessidades do cliente, estudou-se a articulação temporomandibular (segundo capítulo desta Dissertação) e identificaram-se alguns dos sistemas existentes para a aquisição do movimento mandibular 3D (terceiro capítulo), só então foram definidas as especificações do produto pretendido; ou seja, as características que o produto a desenvolver deveria cumprir: o sistema deveria registar a trajectória 3D da mandíbula (do ponto incisivo), permitir visualizar e analisar graficamente os resultados da aquisição do movimento envolvido, e fornecer as coordenadas do ponto incisivo em cada instante do movimento. Finalmente, o produto deveria ser cómodo para o paciente, fácil de utilizar e ter um preço o mais baixo possível. 16 A relação cêntrica corresponde à trajectória de abertura e de fecho, sem translação das cabeças da mandíbula na qual os côndilos estão na posição mais superior e medial na fossa mandibular. Isa Cristina Teixeira Santos 55

76 Introdução ao Desenvolvimento de Produto e Apresentação do Caso em Estudo 4.2.2: Desenvolvimento do sistema protótipo O conceito de um produto corresponde a uma descrição aproximada da tecnologia, do modo de funcionamento e da forma. O processo de geração de conceitos começa com as necessidades do cliente alvo e as especificações de produto pretendido e termina com um conjunto de conceitos que os satisfazem, dentro desse conjunto é seleccionado o conceito a desenvolver. Neste caso, começou-se por escolher o princípio de funcionamento do sistema de aquisição a desenvolver, por a sua estrutura de suporte depender fortemente da tecnologia considerada. Primeiramente, ponderou-se num sistema de ultra-sons baseado no tempo de voo; isto é, no tempo que um impulso de ultra-sons demora desde a sua emissão até à recepção de forma a determinar-se a distância 1D envolvida. Assim, seriam necessários pelo menos três transmissores e três receptores montados em suportes adequados, sendo um destes suportes solidário com a mandíbula. O suporte móvel, mesmo sendo leve, devido às dimensões físicas que deveria ter (impostas pelos sensores), poderia distrair o paciente aquando do processo de medição. No entanto, este sistema seria de fácil utilização e a exactidão obtida estaria dependente da qualidade dos sensores usados. O movimento mandibular também podia ser registado recorrendo a câmaras de vídeo. Assim, por exemplo, duas câmaras montadas adequadamente registariam a trajectória 3D de várias marcas colocadas na face do paciente. Esta seria uma solução fácil e cómoda para o paciente, mas difícil para o operador porque existem vários factores externos que interferem na calibração das câmaras e no pósprocessamento dos dados adquiridos; como por exemplo, condições de iluminação, distâncias envolvidas, fundos complexos, etc. Seguidamente, os LVDT s ( linear variable differential transducer ) foram também considerados, mas foram rapidamente excluídos por um dos seus constituintes ter de ser solidário com o movimento pretendido. Também se ponderou a possibilidade de usar alguns sistemas mecânicos de medição, mas todos eles se mostraram demasiado complicados de usar. Os sensores electromagnéticos registam campos magnéticos. Actualmente, são utilizados nas mais variadas aplicações reais devido ao seu tamanho reduzido, Isa Cristina Teixeira Santos 56

77 Introdução ao Desenvolvimento de Produto e Apresentação do Caso em Estudo consumo diminuto e preço relativamente baixo. Este foi o tipo de sensores escolhido para registar o movimento mandibular 3D pretendido, porque permite efectuar as medições envolvidas sem contacto (logo sem interferir no movimento) e conceber um sistema de aquisição leve, cómodo para o paciente e fácil de operar pelo médico dentista. O campo magnético a ser medido pelos sensores é criado por um pequeno íman que o médico dentista deverá colar na mandíbula do paciente (junto ao ponto incisivo). Escolhida a tecnologia a adoptar, foi necessário definir a estrutura de suporte para o sistema de aquisição. Existiam duas hipóteses: idealizar um novo arco facial para suportar os sensores ou realizar o redesign de um já existente. Ao conceber uma nova estrutura, ter-se-ia maior liberdade na escolha das formas, mas ao mesmo tempo criar-se-ia mais um equipamento a ser obrigatoriamente adquirido pelos médicos dentistas. Por outro lado, do ponto de vista do desenvolvimento de produto, adaptar um arco facial pareceu ser uma solução mais vantajosa, porque possibilitaria reduzir o tempo de investigação e de desenvolvimento. Já do ponto de vista dos utilizadores, como de um modo geral, os dentistas possuem arcos faciais nos seus consultórios e já estão familiarizados com os mesmos, acrescentar-se-ia apenas uma nova função a um equipamento usual. Tal solução também seria benéfica, em termos económicos, porque estes profissionais apenas teriam de comprar os componentes referentes ao sistema de aquisição. De entre os vários arcos faciais existentes no mercado o escolhido foi o Arcus da empresa alemã Kavo. Como o referido arco foi originalmente concebido para fazer apenas medições estáticas, o primeiro passo na adaptação para a nova função da aquisição do movimento 3D foi o redesign das peças que poderiam dificultar a medição dinâmica ou mesmo magoar o paciente. Para mais facilmente manusear os sensores electromagnéticos foram desenvolvidas placas de circuito impresso, e para as suster no arco facial foi desenvolvido um suporte dedicado para os mesmos. A materialização de protótipos surge como uma etapa natural do processo de desenvolvimento de um produto. Um modelo físico permite aferir de forma palpável as características de um produto e confrontá-las com as idealizadas, Isa Cristina Teixeira Santos 57

78 Introdução ao Desenvolvimento de Produto e Apresentação do Caso em Estudo permitindo assim corrigir eventuais erros de projecto numa fase inicial sem causar grandes prejuízos. Assim sendo, recorreu-se à prototipagem rápida para produzir as novas peças. Os modelos obtidos por estereolitografia foram posteriormente utilizados nos testes experimentais. Terminado o redesign do arco facial, foi desenvolvida uma interface gráfica para a análise do movimento adquirido recorrendo à ferramenta LabVIEW da National Instruments [ Procurou-se desenvolver uma interface gráfica intuitiva na qual o médico dentista pudesse registar comodamente todas as informações relevantes para o diagnóstico das disfunções temporomandibulares. Também se considerou, na referida interface, a possibilidade de o operador imprimir em papel, ou guardar em formato digital, a informação recolhida durante cada exame na forma de um relatório. Finalmente, ponderou-se a comercialização do sistema protótipo. 4.3: Resumo O desenvolvimento de um produto pode ser definido como o conjunto de actividades necessárias para a produção de um dado produto. Neste conjunto de actividades, inclui-se a detecção de uma oportunidade de mercado, o desenvolvimento de conceitos, a análise económica, a concepção de desenhos técnicos e modelos, a elaboração de protótipos e planos de produção, a produção de algumas unidades do produto, o teste e ensaio, a produção em larga escala, o processo de marketing e finalmente a sua distribuição e venda. Como o desenvolvimento do produto é uma actividade interdisciplinar que requer a participação de (quase) todos os membros de uma empresa, é conveniente utilizar processos bem estruturados para facilitar a produção de produtos de qualidade superior. Neste trabalho, procurou-se percorrer todos os referidos passos de modo a que nenhum pormenor fosse esquecido. Assim, o processo de desenvolvimento do sistema protótipo para a aquisição e análise do movimento mandibular 3D começou com a identificação de uma necessidade, em seguida foram definidas as Isa Cristina Teixeira Santos 58

79 Introdução ao Desenvolvimento de Produto e Apresentação do Caso em Estudo especificações do produto. A esta fase inicial seguiu-se o desenvolvimento dos conceitos, o projecto e a realização de protótipos. Isa Cristina Teixeira Santos 59

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81 5. Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D

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83 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D 5.1: Sensores electromagnéticos Quando um elemento condutor de corrente é colocado num campo magnético surge uma tensão perpendicular tanto à corrente como ao campo magnético. Este princípio é conhecido como efeito de Hall, e é baseado nele que os sensores electromagnéticos registam a posição do elemento magnético, [Honeywell, 2005]. A Figura 5.1 ilustra o princípio de funcionamento do efeito de Hall. Considerando, um fino filme de material semicondutor (elemento Hall) por onde passa corrente, na ausência de um campo magnético a distribuição da corrente é uniforme e não existe qualquer diferença de potencial. Pelo contrário, na presença de um campo magnético, uma força Lorentz é exercida na corrente perturbando a distribuição desta e criando uma diferença de potencial (tensão V H ) aos terminais proporcional à intensidade do campo magnético em questão. a) b) Figura 5.1: Efeito de Hall: a) sem campo magnético; b) com campo magnético (imagens de [Honeywell, 2005]). Actualmente, os sensores electromagnéticos baseados no efeito de Hall são utilizados nas mais variadas aplicações devido ao seu tamanho reduzido, consumo diminuto, longo período de vida, elevada velocidade de operação, alta repetibilidade e baixo custo; o facto de não ter peças móveis também representa uma grande vantagem em muitos casos de aplicação. Contudo, nesta aplicação os sensores do tipo GMR, Giant Magneto Resistive, são preferíveis por terem uma maior sensibilidade e o sinal de saída ser de valor superior. A Figura 5.2 ilustra o efeito GMR. Nesta figura, A representa uma camada não magnética condutora, B duas camadas magnéticas, C a corrente eléctrica e D um campo magnético. Na ausência de um campo magnético, Figura 5.2a), o momento Isa Cristina Teixeira Santos 63

84 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D magnético provocado pelas camadas B oferece uma grande resistência à passagem da corrente; o mesmo não acontece quando se aplica um campo magnético, nessa altura o momento criado pelas camadas B é vencido e a resistência eléctrica diminui consideravelmente, Figura 5.2b). a) b) Figura 5.2: Efeito GMR, Giant Magneto Resistive : A Camada condutora; B Camadas magnéticas; C Corrente eléctrica; D Campo magnético (imagens adaptadas de [NVE, 2005]). Apesar de no mercado existirem elementos sensores electromagnéticos que por si só registam a posição 3D (isto é, com três eixos de sensibilidade), foram utilizados sensores com apenas um eixo de sensibilidade. Neste trabalho, os referidos sensores 3D teriam sido preferíveis pois, ao contrário da utilização de três sensores individuais, permitiriam conceber um suporte mais simples e facilitariam o tratamento dos resultados obtidos. No entanto, não foi possível encontrar no mercado unidades deste tipo de sensores para efectuar ensaios experimentais em tempo útil. Os sensores seleccionados para este trabalho foram os da NVE Corporation (USA) com a referência AA002-02, Figura 5.3, cujas características estão resumidas na Tabela 5.1, [NVE, 2002]. Os referidos sensores apresentam-se sob a forma de integrados de montagem superficial, e são caracterizados pela sua elevada sensibilidade a campos magnéticos, excelente estabilidade térmica, baixo consumo (cerca de 5 ma) e tamanho reduzido (dimensões: 5,99 x 4,90 x 1,55 mm). Apresentam o mesmo valor da saída tanto na direcção positiva como na negativa do eixo de sensibilidade (output omnipolar) e a saída é analógica. A gama de operação Isa Cristina Teixeira Santos 64

85 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D linear é alargada e funcionam com tensões reduzidas. Os testes experimentais por nós realizados mostraram que são insensíveis a interferências electrónicas. a) b) Figura 5.3: a) Sensores AA da NVE Corporation (USA) usados; b) Esquema do sensor (imagem de [NVE, 2002]). Tabela 5.1: Características dos sensores AA da NVE Corporation (dados de [NVE, 2002]). Propriedade Mínimo Máximo Unidade Tensão de entrada < 1 ± 25 Volts Frequência de operação DC > 1 MHz Temperatura de funcionamento ºC Offset da ponte eléctrica mv/v Não linearidade 2 % (unipolar) Histerese 4 % (unipolar) Ao afirmar que estes sensores possuem apenas um eixo de sensibilidade pretende-se dizer que são sensíveis apenas numa dada direcção no plano do circuito impresso. Deste modo, para se proceder à aquisição tridimensional da trajectória da mandíbula é necessário utilizar três sensores montados perpendicularmente entre si. A Figura 5.4 ilustra duas das configurações íman/sensor possíveis para registar a posição linear. Como já foi referido, como os sensores considerados neste trabalho são de dimensões muito reduzidas, para facilitar as suas ligações eléctricas, o seu manuseamento e montagem no suporte dedicado foram desenvolvidas placas de circuito impresso específicas. Assim, foram usadas duas placas para ser possível alinhar e dispor os três sensores perpendicularmente entre si. Os sensores foram posicionados de modo a ficarem o mais perto possível do ponto incisivo durante o movimento a registar, Figura 5.5. Isa Cristina Teixeira Santos 65

86 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D Figura 5.4: Configurações possíveis do íman/sensor usado (imagens adaptadas de [Honeywell, 2005]). Figura 5.5: Modelação 3D da montagem dos sensores usados e das placas de circuito impresso desenvolvidas. 5.2: Íman A variação do campo magnético é provocada, neste trabalho, por um pequeno íman colado na mandíbula do paciente junto ao ponto incisivo. Para colar o íman pode-se utilizar silicone de mordida ou cimentos de endurecimento rápido; deixase ao cuidado do operador a escolha da melhor solução. Durante os testes efectuados aos sensores verificou-se que a intensidade e a orientação do campo magnético influenciavam os resultados obtidos; assim sendo, para evitar que ocorressem erros durante a medição, ao seleccionar o íman teve-se o cuidado de escolher um que fosse fácil de colar sempre com a mesma orientação. A Figura 5.6 mostra o íman utilizado; trata-se de um cilindro com 5 mm de altura e 5 mm de diâmetro, que deverá ser colado nas gengivas do paciente com a Isa Cristina Teixeira Santos 66

87 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D base do cilindro paralela aos dentes. O campo magnético gerado pelo referido íman é de 760 Gauss. Figura 5.6: Íman usado na aquisição do movimento mandibular. O aspecto do magnete seleccionado não é muito atractivo devido à sua cor e textura rugosa, teria sido preferível utilizar um íman como o da Figura 5.7, que é revestido a teflon mas tal não aconteceu porque o campo magnético deste é de apenas 120 Gauss. Figura 5.7: Íman revestido a teflon (diâmetro: 5 mm; altura: 11 mm). 5.3: Arco Facial Arcus Os arcos faciais são instrumentos utilizados em Medicina Dentária para registar a relação da maxila com o eixo de rotação da mandíbula. Ao definirem um plano de referência usando três pontos, permitem determinar uma relação semelhante àquela que vai ser estabelecida entre os moldes dos dentes de um certo paciente com o eixo de rotação do articulador usado para simular o movimento mandibular do mesmo. Isa Cristina Teixeira Santos 67

88 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D O arco facial escolhido para suporte do sistema de aquisição desenvolvido foi o arco facial Arcus da empresa alemã Kavo, [ Figura 5.8. Figura 5.8: Arco facial Arcus da Kavo usado neste trabalho como estrutura principal de suporte do sistema de aquisição mandibular (duas vistas). Este arco foi escolhido por se tratar de um modelo recente e ser compatível com vários articuladores. Nesta escolha, também pesou o facto da transferência das relações para o articulador ser fácil, e da precisão dos pontos anatómicos de referência estar garantida pelo uso de auriculares adequados, Figura 5.9. a) b) c) Figura 5.9: a) Exemplo de utilização do arco facial Arcus da Kavo; b) Pormenor do auricular; c) Pormenor da glabela (imagens de [ A utilização deste arco é simples: o operador coloca as peças auriculares no canal auditivo externo (ouvidos), Figura 5.9b), e ajusta o ponteiro à glabela, Figura 5.9c). Para limpar o arco facial basta passar um toalhete embebido em álcool. Antes de iniciar a adaptação do arco facial à sua nova função, procedeu-se à modelação dos seus componentes, recorrendo-se ao programa de modelação paramétrico 3D Autodesk Inventor Professional, Figura 5.10, [Costa, 2004]. Isa Cristina Teixeira Santos 68

89 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D Figura 5.10: Modelação 3D realizado neste trabalho do arco facial Arcus usando o programa Autodesk Inventor Professional (duas vistas). 5.4: Redesign efectuado Dos vários elementos que constituem o arco facial adoptado como estrutura de suporte principal, apenas foi necessário, de forma a o adaptar para a sua nova função, redesenhar as peças auriculares, Figura A parte terminal destas peças é pouco arredonda, para se adaptar facilmente ao ouvido aquando a realização de medições estáticas; no entanto, numa medição dinâmica esta forma poderá magoar o côndilo do paciente a examinar. Figura 5.11: Um dos auriculares originais do arco facial Arcus da Kavo (duas vistas). As dimensões gerais das peças originais assim como o modo de encaixe foram mantidos. No entanto, a forma original algo austera foi substituída por uma mais orgânica, para proporcionar aos pacientes uma sensação de maior conforto, e a parte terminal do auricular original foi substituída por uma esfera, de forma a não Isa Cristina Teixeira Santos 69

90 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D magoar os pacientes aquando da realização dos movimentos durante o processo de aquisição, Figura É de notar que as novas peças desenvolvidas são mais fáceis de limpar; enquanto que os auriculares originais possuem algumas cavidades onde a sujidade se pode alojar, nas novas peças desenvolvidas tal não acontece. a) b) c) d) Figura 5.12: a) Modelação 3D obtida para o auricular original; b), c) e d) Redesign obtido para a mesma peça. 5.5: Sistema de suporte para os sensores Ao desenvolver o sistema do suporte dos sensores electromagnéticos teve-se em atenção que este iria ser fixo ao arco facial, que deveria acomodar as duas placas de circuito impresso desenvolvidas para os mesmos e que os deveria posicionar de modo a que ficassem devidamente alinhados com o íman a ser colado junto aos incisivos inferiores. Isa Cristina Teixeira Santos 70

91 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D Como já referido, aquando do redesign das peças auriculares originais do arco facial da Kavo optou-se por uma forma orgânica para proporcionar aos pacientes uma sensação visual de maior conforto. No caso do suporte dos sensores, este tipo de formas revelou ser também o mais apropriado para satisfazer as necessidades funcionais do suporte. A Figura 5.13 mostra a modelação paramétrica do suporte dos sensores desenvolvido. Figura 5.13: Modelação 3D do suporte dos sensores desenvolvido (quatro vistas). Isa Cristina Teixeira Santos 71

92 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D As placas de circuito impresso, desenvolvidas neste trabalho para os sensores electromagnéticos, são encaixadas na caixa do suporte respectivo por ligeira pressão, e o acesso às mesmas é realizado através de uma tampa deslizante, Figura A referida tampa apresenta um orifício para a passagem de um led que tem a função de indicar se o sistema de aquisição está ligado ou não. a) b) c) Figura 5.14: a) Montagem das placas de circuito dos sensores no dispositivo de suporte respectivo; b) e c) Sistema de abertura/fecho por tampa deslizante. Para fixar o suporte dos sensores aproveitou-se um encaixe já existente no arco facial. Assim, no suporte dos sensores foi desenvolvido um sistema de encaixe adequado para evitar a translação e a rotação do mesmo relativamente ao arco facial, Figura Figura 5.15: Pormenor da fixação do suporte desenvolvido para os sensores electromagnéticos ao arco facial da Kavo. Isa Cristina Teixeira Santos 72

93 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D Na parte terminal do suporte dos sensores criou-se uma zona para a transição entre os cabos que ligam os sensores ao cabo que faz a ligação ao computador, Figura Foram utilizados condutores de reduzido diâmetro de modo a tornar o suporte ainda mais leve. O cabo de ligação ao computador é soldado directamente aos sensores; no entanto, era preferível criar um alojamento para um conector de modo a que o fio e o suporte para os sensores fossem independentes facilitando assim o manuseamento do sistema desenvolvido. a) b) Figura 5.16: a) Pormenor da parte terminal do suporte dos sensores; b) Pormenor da ligação dos cabos dos sensores. 5.6: Protótipos desenvolvidos O processo de estereolitografia 17 foi o escolhido neste trabalho para materializar os protótipos desenvolvidos. Os quatro ficheiros (suporte dos sensores, tampa deste suporte e os dois auriculares, direito e esquerdo), concebidos com o programa paramétrico de modelação 3D Autodesk Inventor Professional, foram convertidos em ficheiros no formato *.STL, utilizando a resolução máxima permitida pelo referido programa. Os modelos foram então produzidos com uma resina epoxy e sujeitos a um tratamento de cura. 17 A estereolitografia consiste na fabricação de objectos por adição sucessiva de camadas. Os objectos são construídos por fotopolimerização de uma resina epoxy usando um feixe laser de raios ultravioleta [Alves, 2001]. Isa Cristina Teixeira Santos 73

94 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D As Figura 5.17 e Figura 5.18 mostram os primeiros protótipos obtidos. Ao analisar as peças auriculares verificou-se que a inclinação da parte terminal não era a mais adequada, e que seriam mais confortáveis se a esfera fosse ligeiramente maior. Quanto ao suporte para os sensores verificou-se que a caixa era demasiado pequena, que a localização do furo para o led incluído no sistema sensor era inadequada e que, como já foi referido, era necessário um sistema de encaixe adequado. Figura 5.17: Primeira versão dos auriculares desenvolvidos. Figura 5.18: Primeira versão do suporte desenvolvido para os sensores. Os erros detectados nos primeiros protótipos foram posteriormente corrigidos. A Figura 5.19 mostra os segundos protótipos materializados. Por seu lado, a Figura Isa Cristina Teixeira Santos 74

95 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D 5.20 apresenta as peças auriculares desenvolvidas e a sua montagem no arco facial. Já a Figura 5.21 mostra vários pormenores do suporte dos sensores; e a Figura 5.22 mostra as placas de circuito impresso montadas no respectivo suporte dos sensores. Figura 5.19: Segunda versão do suporte dos sensores e dos auriculares concebidos neste trabalho usando o método de estereolitografia (duas vistas). a) b) Figura 5.20: a) Segunda versão dos auriculares desenvolvidos; b) Montagem do novo auricular no arco facial Arcus da Kavo. Para a produção do protótipo desenvolvido em grandes séries tanto o acetal (POM) como a poliamida (PA, nylon) apresentam propriedades adequadas, [Ashby, 2002], pois ambos são resistentes, rígidos e fáceis de moldar. Já para produzir uma pequena série, aconselha-se o uso de moldes flexíveis em silicone. A forma curva do suporte dos sensores pode representar uma dificuldade em relação à saída da peça do molde, mas esse problema pode ser facilmente resolvido usando machos fusíveis ou um tubo de latão pré montado. O suporte dos Isa Cristina Teixeira Santos 75

96 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D sensores também pode ser produzido sem as curvas consideradas, e receber a forma final desejada por conformação. a) b) c) Figura 5.21: a) Segunda versão do suporte dos sensores desenvolvido; b) Pormenor da fixação das placas de circuito impresso dos sensores; c) Pormenor de fixação ao arco facial Arcus da Kavo. Figura 5.22: Montagem dos sensores na segunda versão do suporte desenvolvido para os mesmos. Para a produção de grandes séries por injecção, os planos de apartação do suporte dos sensores deverão ser cuidadosamente escolhidos, de modo a facilitar a retirada da peça do molde sem alterar a forma. O ideal seria dividir o suporte dos sensores ao meio, eliminando a tampa utilizada para aceder aos sensores, Figura Isa Cristina Teixeira Santos 76

97 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D Figura 5.23: Sugestão para o plano de apartação do suporte desenvolvido para os sensores (duas vistas). O sistema de aquisição a montar no arco facial pesa no total cerca de 200 g. Apesar deste valor poder ser considerado elevado, é aceitável uma vez que as peças não vão estar solidárias com o movimento; ou seja, o paciente não terá qualquer impedimento durante os vários movimentos a realizar. 5.7: Montagem electrónica desenvolvida Como já referido, para registar o movimento mandibular 3D foram utilizados neste trabalho sensores electromagnéticos, e para visualizar os resultados adquiridos foi criada uma interface gráfica descrita na próxima secção. Para a aquisição do sinal dos sensores foi utilizada uma placa de aquisição com uma ligação USB (designada por DAQ). A placa de aquisição utilizada foi a NI USB da National Instruments, Figura 5.24, [NI, 2005]. Trata-se duma placa de aquisição que foi concebida a pensar num trabalho tipicamente académico: é compacta (dimensões com conectores: 818 x 851 x 231 mm; peso: 84 g), simples de usar, tem um preço acessível, e inclui um programa computacional para fazer facilmente a aquisição dos sinais (NI-DAQmx Base). Isa Cristina Teixeira Santos 77

98 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D A NI USB-6008 dispõe de oito canais analógicos diferenciais (AI), dois canais de saída analógicos (AO), 12 canais entrada/saída digitais (DIO), um contador de 32 bit e uma porta de saída USB para ligação ao computador. Tem também uma saída com 5 V e 200 ma, que pode ser utilizada como fonte de alimentação para componentes externos. A Tabela 5.2 resume algumas das características principais da placa de aquisição referida. Figura 5.24: NI USB-6008 da National Instruments: 1 - Indicador da orientação dos conectores; 2 - Conectores; 3 - Etiquetas; 4 - Cabo USB (imagem de [NI, 2005]). Resolução Exactidão Tabela 5.2: Características da placa de aquisição NI USB-6008 da National Instruments (dados de [NI, 2005]). Diferencial: 12 bits Single-ended: 11 bits 0,488 mv 1,53 mv a ±1 14,7 mv a ±20 Velocidade máxima de leitura do sinal Ganho programável de entrada 10 ks/s Diferencial: 1, 2, 4, 5, 8, 10, 16, 20 Single-ended: 1 Ao montar a placa de aquisição optou-se pela montagem diferencial por eliminar o ruído, permitir ganhos maiores e a resolução obtida ser superior. No entanto, esta montagem tem a desvantagem de reduzir para metade o número de canais disponíveis na placa; mas nesta aplicação, esse facto não foi relevante pois são usados apenas três canais. Isa Cristina Teixeira Santos 78

99 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D Apesar da placa de aquisição, como já referido, poder funcionar como fonte de alimentação para os sensores usados, optou-se por utilizar uma fonte externa. Esta decisão justifica-se pelo facto do sinal de saída dos sensores ser proporcional à tensão de alimentação. Assim, a fonte de alimentação escolhida foi a RS7694 da RS Amidata ( com duas saídas: +15 e -15V, Figura Esta fonte permite aumentar o sinal de saída dos sensores em três vezes. Figura 5.25: Fonte de alimentação usada na alimentação do sistema (imagem de [ Para tornar o sistema desenvolvido o mais prático possível, tanto a fonte de alimentação como a placa de aquisição foram montadas numa caixa adequada. A fonte de alimentação foi aparafusada, e por questões de segurança, foi ainda incluído um fusível de protecção. A placa de aquisição teve de ser colada à caixa por não ter um sistema de fixação; utilizou-se velcro para que caso fosse necessário ser desmontada o processo fosse simples. Instalou-se também um botão para ligar e desligar o sistema de aquisição. A Figura 5.26 mostra a caixa desenvolvida com todos os componentes referidos. 5.8: Interface gráfica desenvolvida Para facilitar a aquisição e a análise do movimento mandibular 3D foi desenvolvida uma interface gráfica dedicada recorrendo à ferramenta LabVIEW da National Instruments, Figura 5.27, [National, 2005]. Para correr a aplicação é necessário um computador com o sistema operativo Windows XP e o programa Microsoft Office Word; não é necessário ter o programa LabVIEW instalado porque a interface corre como uma aplicação autónoma. Caso Isa Cristina Teixeira Santos 79

100 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D seja do agrado do operador, poderá ser criado um atalho no Ambiente de Trabalho para a referida interface. Figura 5.26: Caixa desenvolvida para alimentação dos sensores electromagnéticos e aquisição por um computador pessoal dos seus sinais. Na parte superior da interface desenvolvida deverão ser preenchidos os dados pessoais do paciente a examinar: o nome, a idade, o sexo e os dentes em falta, Figura Os campos relativos ao nome e à idade foram criados usando caixas de texto. Já para indicar o sexo do paciente foi utilizado um radio buttons ; para o campo intitulado Dentes em Falta foi criada uma sub-rotina onde são utilizados vários dialog radio buttons para que o operador possa indicar, recorrendo ao grafismo usualmente utilizado pelos médicos dentistas, quais os dentes que o paciente já não tem. Na parte inferior da aplicação foram criados botões para controlar a aquisição do movimento e os gráficos para visualizar e analisar os resultados, Figura O botão Começar dá início à medição, enquanto que o botão Parar pára a aquisição, Figura Enquanto a medição decorre o paciente pode mover livremente a boca; mais adiante será apresentada uma sequência para sistematizar a aquisição. Isa Cristina Teixeira Santos 80

101 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D Figura 5.27: Interface gráfica desenvolvida neste trabalho recorrendo à ferramenta LabVIEW: em cima surgem os campos relativos aos dados pessoais do paciente, enquanto que na parte de baixo surgem os botões de controlo e os gráficos dos resultados obtidos. Terminada a aquisição, os resultados são apresentados em quatro gráficos. Para melhor organizar a informação foi utilizado um Tab Control. Em primeiro plano, é apresentado o gráfico do movimento a 3D que o operador pode rodar, aproximar ou afastar usando os botões do rato. Atrás deste gráfico, são apresentadas as projecções do movimento nos planos sagital, frontal e horizontal, Figura Se os resultados obtidos não forem satisfatórios, o operador pode repetir a aquisição voltando a clicar no botão Começar. Pelo contrário, se os resultados forem aceitáveis pode-se criar um relatório clicando no botão Relatório. Quando isso acontece, surge uma janela na qual se deve indicar o nome do ficheiro a criar assim como a sua localização, Figura 5.29; em seguida, é aberto um documento Word com o relatório da medição, Figura O operador pode então optar por imprimir o relatório ou guarda-lo. Para criar o relatório utilizou-se no desenvolvimento da interface o Report Generation Toolkit. Assim, foi criado um modelo de documento em Microsoft Word com marcadores relativos aos vários campos a preencher, e no LabVIEW Isa Cristina Teixeira Santos 81

102 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D foram definidas as ligações entre estes marcadores e os respectivos campos da interface gráfica. Para terminar a aplicação, pressiona-se o botão Fechar, Figura Figura 5.28: Interface gráfica desenvolvida: projecção da trajectória no plano sagital. 5.9: Conversão da Tensão em Coordenadas Cartesianas Os sensores electromagnéticos registam campos magnéticos e exprimem-nos como uma diferença de potencial na sua saída. Para conhecer a trajectória do íman, colocado na boca do paciente, é então necessário converter a tensão de saída dos sensores usados em distância. Ao simular a aquisição do movimento verificou-se que ao mover o íman numa dada direcção a tensão variava simultaneamente nos três sensores; ou seja, a cada posição no espaço (coordenadas cartesianas x, y e z) correspondia um conjunto de três tensões (tensão segundo cada sensor na direcção x, y e z). Isa Cristina Teixeira Santos 82

103 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D Figura 5.29: Interface gráfica desenvolvida: localização do relatório da medição obtida. Figura 5.30: Exemplo de um relatório obtido com a interface desenvolvida. Isa Cristina Teixeira Santos 83

104 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D Como, de um modo geral, o movimento mandibular não excede os limites definidos por um paralelepípedo com 70 mm de altura, 40 mm de comprimento e 40 mm de profundidade, registou-se o valor da tensão para uma grelha de pontos dentro desse volume espacial, para posteriormente se determinar a relação entre a tensão e a distância 3D. Assim, mantendo o suporte dos sensores fixo, movimentou-se o íman com o controlador de movimento Newport Motion Controller Model MM4000, Figura 5.31, e os valores da tensão foram registados semiautomaticamente 18 recorrendo a uma interface criada durante este trabalho para o efeito em LabVIEW, Figura O zero do sistema de coordenadas foi definido junto do led do sistema do suporte para os sensores electromagnéticos, Figura 5.32, e o íman moveu-se globalmente 40 mm para trás, 20 mm para a direita, 20 mm para a esquerda e 70 mm para baixo, tendo sido registados cerca de 800 pontos, Figura Nesta figura, nos eixos 1 (segundo xx) e 2 (segundo zz) o incremento foi de 5 mm, enquanto que no eixo 3 (segundo yy) foi feito um incremento de 10 mm seguido de dois incrementos de 5 mm e dois incrementos de 10 mm. Figura 5.31: Montagem utilizada na aquisição experimental dos pontos 3D usada para calibrar o sistema desenvolvido. Numa primeira fase, experimentou-se o algoritmo do ponto mais próximo para relacionar a tensão dada pelos sensores com as coordenadas cartesianas 3D: calculou-se a soma quadrada das diferenças segundo cada um dos três eixos entre 18 Para cada ponto foram inseridas manualmente as coordenadas 3D, ao pressionar o botão Medir visível na Figura 5.33 eram guardados os valores da tensão correspondentes. Isa Cristina Teixeira Santos 84

105 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D os valores da tensão a determinar e os valores da tensão determinados experimentalmente para cada ponto de calibração e procurou-se o mínimo; a este mínimo corresponderiam as coordenadas do ponto a determinar. No entanto, este algoritmo é válido apenas para os pontos que tinham sido considerados experimentalmente; ou seja, para se obter resultados satisfatórios, ter-se-ia de efectuar um varrimento com avanços muito reduzidos porque não é possível realizar interpolações entre os pontos de calibração. Figura 5.32: Pormenor do zero do sistema de coordenadas 3D usado para calibrar o sistema desenvolvido. Figura 5.33: Interface desenvolvida durante este trabalho para a aquisição dos pontos 3D necessários para a calibração do sistema. Por sua vez, as redes neuronais são constituídas por elementos de processamento simples (neurões) interligados que têm a capacidade de aprender a partir de dados. São inspiradas no sistema nervoso biológico e, como tal, são determinadas pelas ligações entre os seus elementos. Estas redes podem ser Isa Cristina Teixeira Santos 85

106 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D treinadas de modo a executar uma determinada função ajustando os valores das ligações (pesos) entre os seus elementos. Geralmente, parte-se de determinados valores de entrada (inputs) que levam a determinados valores de saída (targets); os pesos são ajustados até que o erro na comparação entre as entradas e saídas seja mínimo, [Marques, 1999; Demuth, 2005]. Figura 5.34: Pontos 3D adquiridos 3D para calibrar o sistema desenvolvido: Eixo 1 segundo xx; Eixo 2 segundo zz; Eixo 3 segundo yy. Neste caso foi utilizada uma rede neuronal de base radial. De acordo com Marques, [Marques, 1999], este tipo de redes têm um treino rápido e permitem interpretar a contribuição de cada unidade para o comportamento global da rede porque cada camada só é activa numa zona limitada do espaço de entrada. As redes de base radiais são constituídas por duas camadas: uma camada escondida, composta por neurões cuja função de transferência é do tipo exponencial, Figura 5.35a), ligada a uma camada de saída linear, Figura 5.35b). A Figura 5.36 mostra a arquitectura da rede utilizada neste trabalho. Todos os cálculos referentes à rede neuronal utilizada foram executados no programa MatLab [Demuth, 2005] com o comando newrb ; os parâmetros utilizados estão indicados na Tabela 5.3. O valor ideal para o erro é zero, mas neste caso foi definido um valor superior essencialmente porque os pontos registados serem insuficientes numa das direcções, Figura Assim sendo, os resultados obtidos com esta rede neuronal não apresentam elevada exactidão; para os melhorar seria necessário considerar mais pontos experimentais, isto é, usar uma amostragem espacial mais fina. Isa Cristina Teixeira Santos 86

107 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D a) b) Figura 5.35: Funções de transferência: a) Função de transferência dos neurões da camada escondida; b) Função de transferência dos neurões da camada de saída (imagens de [Demuth, 2005]). Figura 5.36: Arquitectura da rede de base radial utilizada: R - número de entradas; S1 - número de neurões na camada escondida; S2 - número de neurões na camada de saída (imagem adaptada de [Demuth, 2005]). Tabela 5.3: Parâmetros do comando newrb utilizado para construir a rede neuronal radial utilizada neste trabalho. newrb(p,t,goal,spread) P T Entradas (Inputs) Saídas (Targets) Goal Erro Spread Exponencial da função de transferência Finalmente, a rede obtida foi traduzida numa expressão matemática e foi implementada na interface gráfica através de uma sub-rotina criada em LabVIEW. 5.10: Utilização do sistema Para utilizar o sistema protótipo desenvolvido neste trabalho para a aquisição e análise do movimento mandibular 3D, Figura 5.37, o operador deverá começar por Isa Cristina Teixeira Santos 87

108 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D colocar a caixa próximo do computador pessoal e estes relativamente perto do paciente. Em seguida, deverá ligar a ficha a uma tomada AC de 220V e o cabo USB ao computador, Figura Posto isto, o operador deve substituir as peças auriculares originais do arco facial pelas novas peças auriculares desenvolvidas neste trabalho, Figura 5.39, e montar o suporte para os sensores. Figura 5.37: Sistema protótipo desenvolvido para a aquisição e análise do movimento mandibular 3D. Neste momento e caso o computador pessoal ainda esteja desligado, o operador pode ligar o computador, iniciar a aplicação computacional desenvolvida para a aquisição e análise do movimento mandibular 3D e preencher os campos relativos aos dados pessoais do paciente em causa: o nome, a idade, o sexo e os dentes em falta. O operador pode então colar o íman no interior da boca do paciente, com silicone de mordida ou com cimentos de endurecimento rápido, e montar o arco facial, Figura Isa Cristina Teixeira Santos 88

109 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D Figura 5.38: Preparação do sistema protótipo desenvolvido para a aquisição e análise do movimento mandibular 3D. Figura 5.39: Preparação do arco facial: substituição das peças auriculares. a) b) c) Figura 5.40: a) Colocação do arco facial no paciente; b) Pormenor da peça auricular desenvolvida neste trabalho; c) Sistema pronto para a aquisição do movimento. Isa Cristina Teixeira Santos 89

110 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D Para que o movimento adquirido seja o mais natural possível e não hajam interferências com os músculos mastigatórios, é conveniente que o médico dentista/operador explique ao paciente a sequência de movimentos a realizar e só depois proceda à sua aquisição. Sugere-se a seguinte sequência de operação: 1. fechar a boca na posição normal com os dentes a contactar na posição correcta; 2. fazer pressão (note-se que ao fazer pressão há um pequeno movimento natural para cima e para trás); 3. abrir a boca; 4. fechar a boca; 5. abrir a boca normalmente; 6. fechar a boca com os dentes numa posição avançada; 7. deslizar para trás; 8. mover o máximo para o lado direito; 9. mover o máximo para o lado esquerdo. Depois do paciente compreender a sequência de movimentos a realizar, o operador pode então iniciar a aquisição do movimento, premindo no botão Começar da interface desenvolvida. Terminada a sequência de movimentos, o botão Parar da mesma interface deverá ser premido. O operador pode de seguida analisar o movimento adquirido e, se os resultados forem satisfatórios pode criar um relatório do exame premindo o botão Relatório da interface desenvolvida. Ao premir no referido botão surge uma janela de diálogo onde se deve indicar o nome e a localização do ficheiro Microsoft Word a criar. Depois disto, o referido ficheiro é criado e surge em primeiro plano no monitor do computador. O operador pode então optar por imprimir em papel os resultados ou guardar o ficheiro numa dada unidade de gravação de dados. Terminada a aquisição, o sistema pode ser desmontado. É conveniente que as peças auriculares sejam limpas, com um lenço embebido em álcool, e que o íman seja esterilizado. Isa Cristina Teixeira Santos 90

111 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D 5.11: Estimativa dos custos de produção Foi feita uma estimativa dos custos para a produção do sistema protótipo desenvolvido neste trabalho. Os resultados são apresentados na Tabela 5.4. Cada vez mais as empresas optam por produzir pequenas séries recorrendo a técnicas de prototipagem rápida, por ajudar a reduzir o tempo de desenvolvimento até à entrada no mercado e o custo de produção das ferramentas e dos dispositivos associados. Tal como já foi referido, para produzir uma pequena série das duas peças auriculares e do suporte dos sensores, com a respectiva tampa, seria preferível utilizar moldes flexíveis em silicone; neste caso, a produção de 25 conjuntos em resina de poliuretano custa aproximadamente O preço unitário dos sensores AA da NVE Corporation é de 5,53. O custo das duas placas de circuito impresso ronda os 3. A placa de aquisição NI USB-6008 custa 145, enquanto que os respectivos conectores custam cerca de 25. A fonte de alimentação custa 75. O preço do íman ronda os 5. Já o preço da caixa plástica na qual, é montada a placa de aquisição e a fonte de alimentação, ronda os 8 mas aumenta caso seja metálica. Nos cabos, no led, no fusível e no interruptor gasta-se ao todo aproximadamente 8. É importante referir que os preços indicados não incluem IVA nem custos de transporte, e podem ser negociados de modo a obter descontos de quantidade ou de pronto pagamento. Também se deve salientar que caso se pretenda uma placa de aquisição com maior resolução o custo aumentará. Para montar o sistema são precisas 5 horas. Se se considerar que em Portugal o custo do trabalho de bancada ronda os 0,15 /min, para montar um sistema protótipo gasta-se 45. O custo do desenvolvimento e os custos fixos não foram estimados por dependerem de quem desenvolve e produz o sistema. Isa Cristina Teixeira Santos 91

112 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D Tabela 5.4: Estimativa dos custos para produzir o sistema protótipo desenvolvido para a aquisição e análise do movimento mandibular 3D. Quantidade Designação Preço 1 Suporte dos sensores e auriculares 110,00 3 Sensores AA NVE Corporation 16,60 2 Placas de circuito impresso 3,00 1 Placa de aquisição NI USB-6008 e conectores 170,00 1 Fonte de alimentação RS7694 ±15 V 75,00 1 Íman 5,00 1 Caixa 8,00 Material eléctrico 8,00 Mão-de-obra (5 horas, trabalho de bancada) 45,00 Total (material + mão-de-obra) 440, : Comercialização do produto Em Portugal, é o Infarmed, [ que define as regras a que devem obedecer o fabrico, a comercialização e a entrada em serviço de dispositivos médicos e respectivos acessórios. Segundo o Decreto-Lei nº 273/95 de 23 de Outubro e a Portaria nº 136/96 de 3 de Maio, o sistema protótipo desenvolvido neste trabalho é classificado como um dispositivo médico activo para diagnóstico e pertence à classe IIa 19. Para a comercialização do sistema protótipo, é requerido um Certificado de Conformidade, que deverá ser emitido por um organismo dentre os vários nomeados pelas autoridades competentes dos Estados Membros e publicados no Jornal Oficial das Comunidades. O fabricante também pode escolher o procedimento de avaliação da conformidade, entre os vários previstos no n.º 4 do Decreto-lei n.º 30/20003, de 14 de Fevereiro. Os dispositivos médicos só poderão ser colocados no Mercado Europeu se apresentarem a marcação CE como prova da sua conformidade com os requisitos essenciais que lhe são aplicáveis. A referida marcação tem um grafismo próprio e deve estar aposta pelo fabricante de forma legível, visível e indelével, Figura Na Portaria nº 136/96 de 3 de Maio os dispositivos são classificados em classes I, IIa, IIb e III, tendo em conta a vulnerabilidade do corpo humano, bem como os potenciais riscos decorrentes da sua concepção técnica e do seu fabrico. Isa Cristina Teixeira Santos 92

113 Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D Os dispositivos com funções de medição, como no presente caso, devem apresentar, para além da marcação CE, um código constituído por quatro dígitos que corresponde ao número de identificação do Organismo Notificado escolhido pelo fabricante para a sua avaliação da conformidade. Figura 5.41: Marcação CE que deverá ser aposta no dispositivo desenvolvido (imagem da Portaria nº 136/96 de 3 de Maio). O sistema protótipo foi concebido de modo a que a sua utilização não comprometesse o estado clínico e a segurança dos pacientes, nem a segurança e a saúde dos operadores. As formas escolhidas dificilmente causarão ferimentos e as correntes eléctricas envolvidas não representam riscos em caso de avaria. Foram incluídos sinais luminosos que informam, tanto o paciente como o operador, se o sistema está em funcionamento. A limpeza dos vários componentes é fácil. No entanto, o íman precisa de especial atenção por ser esterilizado. Este deve ser acondicionado numa embalagem descartável, de forma a estar estéril aquando da sua colocação no mercado, e a manter este estado nas condições previstas de armazenamento e transporte, até que seja violada ou aberta a protecção que assegura a sua esterilidade. No folheto de instruções que deverá acompanhar o dispositivo deverão ser fornecidas indicações sobre qual o procedimento correcto para a esterilização do íman usado. Ao ser comercializado o sistema deverá ser acompanhado das informações necessárias para a sua utilização em completa segurança e para a identificação do fabricante, tendo em conta a formação e os conhecimentos dos potenciais utilizadores. Estas informações devem ser redigidas em língua portuguesa, sem prejuízo de poderem também ser redigidas noutras línguas. Isa Cristina Teixeira Santos 93