PRODUÇÃO DE ÓRTESES PERSONALIZADAS COM BAIXO CUSTO ATRAVÉS DAS TECNOLOGIAS ENGENHARIA REVERSA E MANUFATURA ADITIVA. Resumo

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1 13º Congresso Ibero-americano de Engenharia Mecânica 13º Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica Lisboa, Portugal, de Outubro de 2017 PRODUÇÃO DE ÓRTESES PERSONALIZADAS COM BAIXO CUSTO ATRAVÉS DAS TECNOLOGIAS ENGENHARIA REVERSA E MANUFATURA ADITIVA Marcelo Augusto Rozan dos Santos 1 e Ruís Camargo Tokimatsu Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Ilha Solteira-SP, Brasil, marcelorozan@gmail.com 2. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Ilha Solteira-SP, Brasil, ruisctok@gmail.com Resumo Na área da ortopedia, a busca por novos avanços tecnológicos para o desenvolvimento de órteses personalizadas com um custo acessível, tem sido grande. A maior parte da população que possui patologias, sofre por não ter renda suficiente para adquirir esses dispositivos e acabam agravando essas patologias. Este projeto busca inovar e propor a utilização de novas tecnologias para desenvolver órteses a essa população com um custo mínimo e assim, implementá-las na rede pública. Através das análises feitas pelos profissionais ortopedistas e terapeutas usando imagens bidimensionais dos exames dos pacientes consultados, será possível digitalizar o membro afetado ou posicioná-los de forma adequada para que seja tirado o molde da órtese personalizada utilizando as técnicas de Engenharia Reversa. Esses aparelhos permitem coletar dados dos exames já feitos como Ultrassom, Ressonância Magnética, Tomografia, entre outros e convertê-los em modelos tridimensionais. O objetivo deste projeto é utilizar a Engenharia Reversa para digitalizar o membro que necessite de auxílio e confeccionar as órteses com a tecnologia de Manufatura Aditiva, uma tecnologia que vem se desenvolvendo rapidamente nesses últimos anos e permitindo fabricar diretamente qualquer peça ou objeto através de um arquivo tridimensional modelado. Nos dias atuais, a Manufatura Aditiva tem sido utilizada em diversas áreas como Arquitetura, Design, Engenharia Mecânica, Medicina, entre outros. Este projeto resultou na criação de dois protótipos de órteses com a função de imobilizar os membros inferior e superior, sendo o primeiro utilizando as técnicas de Engenharia Reversa Tempo de Voo que digitalizou o membro a partir de um dispositivo de jogos chamado Kinect One e o segundo utilizando a técnica Transmissivo, que utilizou um exame de Tomografia Computadorizada para digitalizar o membro. A partir destas duas técnicas, foram criados dois modelos tridimensionais para assim serem manufaturados na impressora 3D através da técnica de Modelagem por Fusão e Deposição de material. Palavras chave: Engenharia Reversa. Órteses. Imobilizadores ortopédicos. Manufatura Aditiva. Impressão 3D.

2 1. Introdução A procura por produtos de qualidade e altamente competitivo pelas empresas tem sido constante, para suprir as necessidades dos clientes essas empresas vêm investindo em novas tecnologias e a Engenharia Reversa (ER) é uma delas. A ER é uma das tecnologias que reduz os ciclos de produção no desenvolvimento dos produtos [1] [2]. Na área de ortopedia dos hospitais municipais os dispositivos ortopédicos continuam sendo fabricados com tecnologia desenvolvida a muitos anos, continuam utilizando o gesso devido ser um material de baixo custo e não se preocupam com o conforto que o paciente precisa, o bem-estar, entre outros. Esses tipos de dispositivos feitos em gesso têm características de imobilizadores pesados, causam problemas na pele devido não terem aberturas para ventilação, impossibilitando de higienizar o dispositivo devido não suportar o contato com a água, causam desconforto no paciente por não serem personalizados. Dependendo da patologia esse tipo de dispositivo pode ser utilizado por um longo tempo. Pelo processo de adição, na década de 1980, surgiu uma nova forma de produção de produto utilizando fusão de camadas planas. Hoje esta técnica é conhecida como Manufatura Aditiva (MA). A MA possibilita a fabricação de objetos, moldes, peças com geometrias complexas ou simples utilizando como referência apenas um modelo construído tridimensionalmente [3]. Como objetivo, esta pesquisa produzirá órteses personalizadas utilizando a MA e ER para ter um produto de forma ligeira, funcional, prática, com custo baixo e resistência mecânica. Eliminará os problemas como o peso da órtese convencional feita em gesso, ter um imobilizador personalizado evitando desconforto, possuirá um design aonde a ventilação possa ter contato com a superfície do membro evitando doenças de pele, entre outros. 2. Órteses A palavra órteses deriva do grego, cujos termos tiheme e orthos significam correção e colocação. As finalidades das órteses são de auxiliar e proporcionar melhoria aos pacientes podendo ser internamente ou externamente ao segmento corpóreo aos pacientes que necessitem de disfunção ou suportes [4]. A órtese pode corrigir os movimentos e postura, determinar movimentos até um certo ponto e imobilizar parcial ou totalmente os movimentos da região afetada. As órteses são classificadas como estáticas ou dinâmicas. Para as necessidades de correção de um membro com problema, ou proporcionar repouso, proteção ou imobilização a órtese estática é a indicada, no entanto quando é necessário permitir a movimentações articulares, ou permitir o movimento até um determinado ponto é indicado a órtese dinâmica [5]. As fabricações das órteses podem serem préfabricadas, pré-fabricadas ajustáveis ou confeccionadas sob medida. Os modelos encontrados prontos em prateleiras nas lojas ortopédicas são as pré-fabricadas. Quando for necessário que o profissional precise ajustar as órteses elas são consideradas pré-fabricadas ajustáveis. Os modelos feitos sob medida podem ser ajustados antes ou durante o tratamento e se adequam melhor ao paciente lhe proporcionando um maior conforto. A desvantagem é o seu custo mais elevado por ser feita especialmente ao paciente. Os dispositivos utilizados para os membros superiores são conhecidos como splints. A órteses, splints ou férula são dispositivos que se aplicam aos membros superiores ou inferiores para determinada funções [6]. As órteses para membros superiores possuem vários tipos, abaixo segue alguns exemplos: Tirante clavicular ou tirante axilar em oito; Tipoias; Órteses para estabilização de fraturas; Órteses estática para cotovelos; Órteses articulada para cotovelo; Tirante proximal de antebraço; Órtese para punho; Órtese para punho e polegar; Órtese para repouso (punho/mão/dedo); Órtese para os metacarpos; Órtese para dedos; Órtese dinâmicas. As órteses para membros inferiores são utilizadas para pacientes com sequelas neurológicas e ortopédicas ou posicionamento articular. Algumas dessas órteses apresentam articulações de joelho, quadril, tornozelo e pé. As órteses para membros inferiores podem ser classificadas como órteses longas KAFOs e HKAFOSs, órteses curtas AFOSs e Órteses de Reciprocação (RGOs) que são órteses com função de auxiliar na qualidade da marcha para os membros inferiores diminuindo os gastos de energia e contribuindo uma maior velocidade. Um AFO é prescrito para dar estabilidade médio lateral na posição fase do tornozelo, assim apoiando o tornozelo e facilitando sua marcha na fase de balanço [7]. 3. Engenharia Reversa

3 Hoje no mercado atual podemos dividir a Engenharia em dois processos, o primeiro é o processo convencional feito por desenhos, documentos elaborados por ferramentas Computer- Aided Design (CAD), um modelo físico. O segundo processo é a Engenharia Reversa, um método de duplicação de um modelo existente através de uma digitalização 3D, em que um processo de varredura da geometria é feito e convertido tridimensionalmente em um arquivo onde possa ser manipulado e redesenhado [8][2]. A ER transforma em engenharia modelos e conceitos. A Figura 01 ilustra a sequência básica das fases utilizadas para engenharia reversa [9]. A técnica de Modelagem por Fusão e Deposição é feita através de filamentos termoplásticos que se encontram no estado sólido e ficam enrolados em uma bobina. A movimentação deste bico é no sentido X - Z da coordenada e o material é aquecido em um bico de extrusão e depositado em uma mesa ou plataforma de construção assim chamada, possuindo o movimento em Y. Iniciase assim, a impressão por deposição de material fundido termicamente e vai injetando camada por camada até formar o objeto final. Dependendo do formato da impressora os eixos XYZ podem variar, porém a forma de injeção não altera. A plataforma de construção, no caso a mesa, também pode ser aquecida ou mantida a frio; o que determina essa temperatura é o tipo de matéria-prima escolhida para fusão [5]. A Figura 2 ilustra o filamento se movendo do rolo e passando pelo cabeçote seguido pelo bico extrusor já aquecido. Desta forma o material da peça é depositado na plataforma formando as camadas [10]. Figura 1: Fases de ER para geometrias. Adaptado de [9] O processo de ER passa por três fases, a digitalização, processamento de pontos e aplicação [1]. 4. Manufatura Aditiva A Manufatura Aditiva possui diversas tecnologias de fabricação por adição de material e essas tecnologias possuem em comum o princípio de fabricar os produtos por camadas. Existem aproximadamente mais de 20 sistemas de MA [10]. Os objetos são construídos de forma livre, mesmo possuindo sua geometria simples ou complexa, eliminando as ferramentas de molde [11]. Os processos de MA são baseados em Líquidos, Sólidos e Pós Modelagem por fusão e deposição Figura 2: Princípio de MA Modelagem por Fusão e Deposição [10] 5. Materiais e Métodos Serão criadas duas órteses estáticas a primeira para imobilizar o membro inferior utilizando a ER transmissão que é obtido por exames de Tomografia Computadorizada. Através do programa livre conhecido como InVesalius as imagens Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) serão importadas para que o modelo tridimensional do membro seja reconstruído. A segunda órtese será produzida para o membro superior. A técnica para digitalização do membro será feita pela ER tempo de voô, esse tipo de digitalização é feito por um dispositivo de jogo utilizado para controlar movimentos no aparelho Xbox one desenvolvido pela empresa Microsoft Corporation, o nome desse dispositivo é o Kinect one. Para ajustes necessários e divisão das órteses para impressão será utilizado o programa 3D Builder e para a criação e modelagem das órteses, para limpeza de artefatos será utilizado o programa livre Meshmixer desenvolvido pela empresa Autodesk. Para a MA das órteses será utilizada a impressora 3D Prusa I3 que utiliza a técnica de Modelagem por Fusão e Deposição montada para

4 as impressões dos protótipos conforme ilustra a Figura 3. XIII CIBEM 2017 Lisboa Figura 3: Impressora 3D utilizada na impressão das órteses Todos os processos desenvolvidos nesta metodologia foram feitos em um Notebook da Marca Dell, modelo Inspiron 15R 7520 SpecialEdition. Esta máquina possui tela FullHD (1080p) de 15,6, seu processador é Intel Core i7-3612qm 2.10GHz - 3 Geração dos Processadores Intel. Sua memória é de 8gb, e seu HD possui 1Terabyte de armazenamento, sua placa de vídeo é dedicada AMD Handeon HD7730M com 2048Mb. O sistema Operacional é Windows 10 PRO. Figura 4: Imagens DICOM importadas para o InVesalius Após o volume de superfície ser construído, ele foi exportado em arquivo tridimensional para ser modelado a órtese personalizada, o qual permitirá que os softwares CAD construam e façam os devidos ajustes. A figura 5 ilustra o volume tridimensional pronto no programa InVesalius. 6. Resultados e Discussões Na produção da órtese para o membro inferior, o desenvolvimento surgiu a partir da importação das imagens DICOM do membro afetado, o programa gerou uma visualização multiplanar do exame indicando três vistas sendo uma fatia axial localizada na parte superior à esquerda, uma fatia coronal localizada na parte inferior à esquerda e outra sagital localizada superior à direita. Uma quarta visualização no canto inferior à direita é o volume em que o programa gera tridimensional o modelo que foi captado pelo exame conforme ilustra a Figura 4. Figura 5: Reconstrução tridimensional do membro inferior A partir do modelo tridimensional pronto foi modelado a órtese personalizada no programa Meshmixer. O design em forma de colmeia feito na órtese permite que o membro inferior possa ter ventilação e proporcionando uma resistência mecânica maior. Também foi analisado tridimensionalmente o encaixe e ajustes necessário entre órtese e membro, assim deixando tudo pronto para MA, conforme Figura 6.

5 Figura 6: Análise da órtese modelada com o membro inferior Na produção da órtese para o membro superior, foi utilizado a técnica de ER tempo de voo, que utilizou o dispositivo Kinect one para digitalizar a superfície dos dedos, mão, punho e antebraço. A Figura 7 ilustra a digitalização feita pela técnica e o resultado importado para o programa 3D Builder. Figura 8: Análise da órtese modelada com o membro superior Como resultado deste projeto a produção de uma órtese estática para imobilizar o membro inferior apresentou características satisfatórias. Utilizando a técnica de ER transmissivo o membro foi digitalizado e depois fabricada pela MA como ilustra a Figura 9. Figura 7: Digitalização pelo dispositivo Kinect one A forma de modelagem para a órtese superior foi a mesma utilizada anteriormente, sendo importado o arquivo tridimensional para o programa Meshmixer e a partir deste arquivo a modelagem da órtese estática para o membro superior foi elaborada. Os parâmetros considerados na modelagem da órtese para o membro superior também levaram o design em colmeias para permitir a ventilação e possuir uma resistência mecânica. Pode-se observar na Figura 8, que o punho se encaixa no modelo, e a função da órtese estática para evitar a mobilidade da articulação da mão ficou apropriada para o membro. Desta forma os dedos têm suas articulações livres. Figura 9: Imobilizador ortopédico inferior concluído O resultado impresso pela impressora 3D da órtese para o membro superior também atingiu os objetivos específicos. A técnica de ER tempo de voo, permitiu digitalizar rapidamente o membro superior eliminando qualquer tipo de molde na criação de uma órtese personalizada. No caso da Figura 10 foi implantado na órtese um sistema de trava para dar mobilidade em remover o dispositivo quando necessário. Esses sistemas de fixação podem variar desde um tipo de bucha para travar e permitir que a órtese não seja removida durante todo tempo de tratamento ou dependendo o caso, podendo ser removível, fixando com parafusos ou pinos.

6 Figura 10: Imobilizador ortopédico superior concluído 7. Conclusão Conclui-se que é possível utilizar as técnicas de ER e MA na confecção de órteses personalizadas, utilizando os próprios exames de Tomografia Computadorizada e Ressonância Magnética feitas no hospital. Para casos mais simples, com um dispositivo de tempo de voô, rapidamente pode-se coletar a superfície de um membro afetado e convertê-lo em um arquivo tridimensional para o desenvolvimento da órtese. A MA agiliza muito no processo de fabricação por camada, criando geometrias simples ou complexas. Nos dias atuais com tantas máquinas avançadas é possível obter uma órtese personalizada e até mesmo com um design apropriado, podendo inserir desenhos ou detalhes pessoais de cada paciente. O mercado possui diversos tipos de matérias-primas como ABS, PLA e até mesmo materiais Flexível como o Nylon, permitindo assim trabalhar com materiais mais baratos e com diversas características funcionais. [6]Elui, Valeria Meirelles Carril, Maria Helena Pessini de Oliveira, and Claudia Benedita dos Santos, "Órteses: um importante recurso no tratamento da mão em garra móvel de Hansenianos", Hansen Int, 26.2: , [7]Ferreira, Luiz Alfredo Braun, et al, "Effect of ankle-foot orthosis on gait velocity and cadence of stroke patients: a systematic review", Journal of physical therapy science, 25.11: , [8] Lin, Yan-Ping, Cheng-Tao Wang, and Ke- Rong Dai. "Reverse engineering in CAD model reconstruction of customized artificial joint", Medical Engineering & Physics, 27.2: , [9]Varady, Tamas, Ralph R. Martin, and Jordan Cox. "Reverse engineering of geometric models na introduction", Computer-Aided Design 29.4: , [10]Volpato, Neri, Prototipagem rápida: tecnologias e aplicações, Edgard Blucher, [11]Canciglieri Junior, Osiris, Selhorst Junior, Aguilar, & Sant Anna, Ângelo Márcio Oliveira, Método de decisão dos processos de prototipagem rápida na concepção de novos produtos, Gestão & Produção, 22.2: , Referências [1]Raja, Vinesh, and Kiran J. Fernandes, Reverse engineering: an industrial perspective, Springer Science & Business Media, [2]Sokovic, Mirko, and J. Kopac, "RE (reverse engineering) as necessary phase by rapid product development", Journal of Materials Processing Technology 175.1: , [3]Ahrens, Carlos Henrique, et al, "Prototipagem rápida: tecnologias e aplicações", Edgard Blucher, [4]Carvalho, José André, Órteses: um recurso terapêutico complementar, Manole, [5]Santos, Marcelo Augusto Rozan dos, "Engenharia Reversa: um método orientado a imobilizadores ortopédicos, 2016.