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ÓRTESE DINÂMICA COM ACIONAMENTO ELETROMECÂNICO PARA MEMBRO SUPERIOR QUE RESTAURA MOVIMENTOS DA MÃO E
COTOVELO: TESTES PRELIMINARES
Fernanda Márcia Rodrigues Martins Ferreira
Laboratório de Bioengenharia, Universidade Federal de Minas Gerais
Maria Emília Abreu Chaves
Laboratório de Bioengenharia, Universidade Federal de Minas Gerais
Daniel Neves Rocha
Controle e Processos Industriais, Instituto Federal de Minas Gerais
Adriana Maria Valladão Novais Van Petten
Departamento de Terapia Ocupacional, Universidade Federal de Minas Gerais
Claysson Bruno Santos Vimieiro
Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais
e Departamento de Engenharia Mecânica, Pontifícia Universidade Católica de
Minas Gerais
Marcos Binotti Barbosa (In Memorian)
Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais
Autor para correspondência: Fernanda Ferreira. Endereço: Av. Pres. Antônio
Carlos, 6627 - Pampulha, Belo Horizonte, MG. Telefone: (31) 3409-6677. E-
mail: nanda_rodrigues06@hotmail.com
RESUMO
Indivíduos com comprometimento de membro superior apresentam limitações
motoras que interferem na capacidade de realizar de forma independente as
atividades de vida diária, comprometendo a funcionalidade e afetando a
participação social e qualidade de vida. Uma alternativa de reabilitação é a
terapia assistida por robô, uma abordagem que usa prática intensiva, repetitiva,
interativa e individualizada como estratégia eficiente para melhorar a
aprendizagem motora. O presente estudo consiste no desenvolvimento e
validação em laboratório de uma órtese dinâmica robótica de membro superior
para reabilitação de cotovelo e mão. Foi observado o adequado funcionamento
da órtese em laboratório no teste de força e angulação. Contudo, faz-se
necessário ajuste no módulo mão.
Palavras-chave: órtese dinâmica, reabilitação, acidente vascular encefálico,
tecnologia assistiva.
INTRODUÇÃO
Segundo a Organização Mundial de Saúde, um Acidente Vascular
Encefálico (AVE) é um déficit neurológico súbito decorrente de uma lesão
vascular(1). É a terceira maior causa de morte na população adulta no mundo
(aproximadamente 16 milhões de óbitos ao ano) e uma das principais causas
de incapacidade a longo prazo(2). Dados provenientes de estudo prospectivo no
Brasil, indicam incidência anual de 108 casos por 100 mil habitantes, sendo a
primeira causa de morte (cerca de 100 mil óbitos ao ano)(3).
De acordo com a localização, amplitude e gravidade da lesão, o AVE
acarreta uma variedade de deficiências motoras, sensoriais e cognitivas(4).
Comprometimento das funções motoras de membro superior são as mais
comuns e afetam cerca de 50-70% dos pacientes na fase aguda(5,6) e 40% na
fase crônica(7,8,9). Essas alterações interferem na capacidade de realizar de
forma independente as atividades de vida diária (AVD), comprometendo a
funcionalidade e afetando a participação social e qualidade de vida(9,10).
Os resultados de uma revisão sistemática envolvendo 123 ensaios
clínicos randomizados por Van Peppen e colaboradores(11) demonstram que
intervenções de reabilitação mais eficazes são aquelas que fornecem
treinamento precoce, intensivo, prática repetitiva de tarefas funcionais
específicas e treinamento significativo. Contudo, observa-se que os programas
convencionais de reabilitação para recuperar a função do membro superior
apresentam resultados limitados. Esses proporcionam intervenções
inadequadas em termos de intensidade e frequência necessária para
reaprender habilidades motoras. Além disso, os programas convencionais de
reabilitação requerem interações terapeutas e pacientes um para um,
protocolos de tratamento com terapia diária durante várias semanas, sendo
que aqueles que exigem elevada intensidade são dispendiosos para os
pacientes(12,13,14).
Devido a essas dificuldades de reabilitação em AVE, pesquisadores viram
uma oportunidade de criar novas técnicas e dispositivos tecnológicos para
melhorar a eficácia e efetividade do tratamento, auxiliando na recuperação da
função motora de membro superior. Uma alternativa é a terapia assistida por
robô, ou seja, Robot-Assisted Therapy (RT). Trata-se de uma abordagem
inovadora para a reabilitação que usa prática intensiva, repetitiva, interativa e
individualizada como uma estratégia eficiente para melhorar a aprendizagem
motora(14,15). Dispositivos robóticos são capazes de fornecer informações mais
consistentes, medindo parâmetros cinemáticos e dinâmicos durante o
movimento do membro do paciente (velocidade, tempo, direção, força e
amplitude de movimento). Dessa forma, esses dispositivos permitem avaliar os
indicadores de desempenho e o progresso do paciente com maior
confiabilidade e precisão(16,17). Além disso, permitem que a carga de trabalho
do terapeuta seja atenuada possibilitando que os pacientes realizem o
treinamento de forma mais independente, com menor supervisão do
profissional(18). Assim, a terapia robótica pode representar um complemento
bem-sucedido para programas de reabilitação pós-AVE multidisciplinares,
podendo alcançar maiores ganhos no tratamento de reabilitação(9,18).
Estudos sobre robótica de reabilitação têm crescido rapidamente e o
número de robôs com fins terapêuticos expandiu-se sobremaneira durante as
duas últimas décadas(19,20). Trabalhos na literatura demonstram melhora
significativa na função motora do membro superior, principalmente as
articulações de ombro e cotovelo, após uso de RT. Contudo, poucos estudos
desenvolveram e avaliaram o uso de dispositivos robóticos aplicados a
reabilitação das articulações de (punho e mão). Somado a isso, a maioria dos
dispositivos possuem alto custo, são robustos, com peso elevado, difíceis de
transportar, interferindo sobremaneira na capacidade de realizar as atividades
de vida diária, limitando, portanto, sua aplicação(21).
Diante dessa necessidade, foi desenvolvido no Laboratório de
Bioengenharia (LABBIO) da Universidade Federal de Minas Gerais um nome
modelo de órtese para reabilitação de membro superior, capaz de melhorar a
execução das atividades cotidianas de pessoas que apresentam
comprometimento de membro superior decorrente de AVE.
Frente a esse contexto, este trabalho tem como objetivo realizar testes
experimentais preliminares para validação do protótipo da órtese dinâmica com
acionamento eletromecânico para reabilitação de cotovelo e mão.
MATERIAIS E MÉTODOS
A órtese dinâmica com acionamento eletromecânico para reabilitação de
cotovelo e mão ( Figura 1) compreende um conceito inovador por apresentar
uma solução eletromecânica com estrutura modular e ajustável, em material
leve, resistente e de baixo custo. O equipamento realiza passivamente os
movimentos de flexão e extensão dos dedos (articulações
metacarpofalangeanas e interfalangeanas dos dedos 2º ao 5º) e flexão e
extensão da articulação do cotovelo.
Fig. 1 – Protótipo da Órtese dinâmica de membro superior
Foi realizado um estudo exploratório para validação do protótipo a fim de
verificar o funcionamento da parte biomecânica garantindo aos usuários o uso
seguro do equipamento. Os testes com a órtese foram realizados no
Laboratório de Bioengenharia da Escola de Engenharia da Universidade
Federal de Minas Gerais (UFMG) por meio de simulações numéricas e testes
de bancada.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Teste de força do motor
Foi definido o dimensionamento da estrutura mecânica e do torque
mínimo exigido ao atuador para produzir movimentos de extensão e flexão do
cotovelo. Para isso, a órtese foi fixada em uma bancada com antebraço em
posição neutra (entre pronação e supinação) de forma que os objetos
segurados ficassem suspensos. Foi adicionada uma massa a uma distância de
130 milímetros do centro (Figura 2). Os pesos foram calibrados com uma
balança de precisão e observou-se que a órtese foi capaz de suportar uma
carga de 2,600Kg (3,3124 N/m). Esta força foi utilizada como parâmetro, pois
representa a resistência mecânica do membro superior humano(22).
Fig. 2 – Teste de força do motor
Cálculo da Abertura Angular da Órtese
Foi definido o ângulo máximo e mínimo de flexão da articulação do
cotovelo considerando a amplitude de movimento necessária para realizar
atividades básicas de vida diária (ABVDs), ou seja, atividades relacionadas ao
autocuidado. Segundo Lathan e Radomski(23) a faixa de 10 a 140°de flexão
permite realizar uma elevada gama de atividades funcionais (Tabela I). Dessa
forma, optou-se por essa angulação, possibilitando um arco de movimento livre
de 130º.
Tabela I – Ângulo de Movimento de flexão de cotovelo (Radomski e Latham,
2013)
Amplitudes máximas de flexão de cotovelo (0 – 150°) foram evitadas para
impedir stress excessivo na articulação e nas estruturas ligamentares. Duas
chaves de fim de curso, ajustáveis manualmente, foram fixadas na órtese para
limitar o movimento entre os ângulos máximo e mínimo (Figura 3).
Fig. 3- Chaves de fim de curso para limitar ângulo máximo e mínimo de
flexão.
Foram realizados testes para verificar o funcionamento da órtese em cada
variação angular e calculado o ângulo referente a cada medida utilizando a
ferramenta de medição do Photoshop. Todas as angulações funcionaram
corretamente, exceto quando a chave de fim de curso foi posicionada na última
configuração (Figura 4).
Fig. 4 – Posição da chave de fim de curso que não funciona corretamente.
Contudo, esse ângulo ultrapassa o máximo e mínimo estabelecido, então
não terá utilidade. O arco de movimento de 130° foi atingido tanto na abertura
quanto no fechamento da órtese (Figuras 5 e 6), assim como proposto
inicialmente.
Fig. 5 – Ângulo de abertura da órtese (extensão do cotovelo)
Fig. 6 – Ângulo de fechamento da órtese (flexão do cotovelo)
Teste do módulo mão O módulo mão é composto por uma luva de neoprene e linhas de nylon
(tendões artificiais) para realizar o movimento de extensão dos dedos. Após o
teste na mão do pesquisador, foi constatado que os tendões estavam
provocando uma hiperextensão das articulações metacarpofalageanas e
interfalangeanas (Figura 7). Assim, observa-se a necessidade de pensar uma
nova proposta para o módulo mão.
Fig.7 – Módulo mão
CONCLUSÕES
A partir dos testes com o protótipo da órtese dinâmica foi possível
constatar a aplicabilidade e a funcionalidade do dispositivo proposto, visto que
o mesmo desempenhou os comandos desejados, ou seja, a estrutura
reproduziu e executou os movimentos atendendo ao objetivo de angulação
esperada com uma força adequada. Contudo, o módulo mão apresentou
falhas, sendo necessário obter uma nova proposta que garanta uma execução
do movimento o mais próximo do fisiológico, visando a segurança do usuário.
Após ajustes necessários estudos futuros são fundamentais para
validação do equipamento em indivíduos com perda da função motora de
membro superior possibilitando o engajamento independente em atividades
diárias, de lazer e vocacionais, melhorando sua auto-estima e qualidade de
vida.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP)
pelo apoio financeiro e ao professor Marcos Pinotti Barbosa (in Memorian), o
idealizador deste projeto.
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ELECTROMECHANICAL DYNAMIC ORTHOSIS FOR UPPER LIMB TO
RESTORE MOVEMENTS OF HAND AND ELBOW: PRELIMINARY TESTS
ABSTRACT
Individuals with upper limb impairment have mobility limitations that
interfere with the ability to independently carry out activities of daily life,
compromising the functionality and affecting social participation and quality of
life. A rehabilitation alternative is assisted therapy robot an approach that uses
intensive, repetitive, interactive and individualized practice as an effective
strategy to improve motor learning. This study is the development and validation
in laboratory an orthosis dynamic robotic upper limb to the elbow and hand
rehabilitation. It was observed the proper functioning of the orthosis in the
laboratory strength testing and angulation, however it appears necessary to
adjust the hand module.
Key-words: orthosis, rehabilitation, stroke, assistive technology
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