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____________________________________________________________________________ Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de Moura” GRADUAÇÃO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL Andre Gifalli Osvaldo Rodrigo Brás Turte Órtese dinâmica automatizada para auxilio no tratamento de pacientes com fratura de cotovelo GARÇA 2016

GRADUAÇÃO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA … · de pacientes traumatizados, proporcionando ao profissional um controle mais preciso de velocidade, duração e movimentos de fisioterapia

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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de Moura”

GRADUAÇÃO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

Andre Gifalli Osvaldo Rodrigo Brás Turte

Órtese dinâmica automatizada para auxilio no tratamento de pacientes com fratura de cotovelo

GARÇA

2016

____________________________________________________________________________

Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de Moura”

GRADUAÇÃO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

André Gifalli Osvaldo Rodrigo Brás Turte

Órtese dinâmica automatizada para auxilio no tratamento de pacientes com fratura de cotovelo

Artigo Científico apresentado à Faculdade de Tecnologia de Garça – FATEC, como requisito para conclusão do Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, examinado pela seguinte comissão de professores:

Data da avaliação:___/___/___ _____________________________________

Prof. Ms. Ildeberto de Genova Bugatti FATEC-Garça _________________________________________ Prof. FATEC-Garça _________________________________________ Prof. FATEC-Garça

GARÇA

2016

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Órtese dinâmica automatizada para auxilio no tratamento de pacientes com fratura de cotovelo

Andre Gifalli1 Osvaldo Rodrigo Brás Turte2 Ildeberto de Genova Bugatti3 [email protected] [email protected] bugatti.fatec@ gmail.com

Resumo

O crescimento constante da tecnologia influencia o desenvolvimento de equipamentos

eletrônicos para utilização em diversas áreas, dentre elas, a área da saúde voltada ao bem-

estar do ser humano e qualidade de vida. Através da mecatrônica, que abrange três

tecnologias em conjunto; Mecânica, Eletrônica e a Computação, juntamente com os

conhecimentos adquiridos no curso, decidiu-se pesquisar e desenvolver uma órtese

automatizada que auxilie na fisioterapia e reabilitação de pacientes com fraturas em membros

superiores, possibilitando a reabilitação de articulações, movimentos funcionais e musculares

de pacientes traumatizados, proporcionando ao profissional um controle mais preciso de

velocidade, duração e movimentos de fisioterapia. A construção do protótipo conta com um

motor DC acoplado a órtese, uma órtese em alumínio, com 1 grau de liberdade,

microcontrolador atmega328 programado em linguagem para microcontrolador, podendo ser

controlado remotamente e uma IHM para interface do usuário.

Palavras-chave: Mecatrônica, Reabilitação e Saúde.

Abstract

The steady growth of technology influences the development of electronic equipment

for use in various fields, among them, health geared to the welfare of the human being and

quality of life. Through mechatronics, which covers three technologies together; Mechanics,

electronics and computing, along with the knowledge acquired in the course, we decided to

search for and develop an orthesis automated that assists in physical therapy and rehabilitation

of patients with fractures on upper limbs, allowing the rehabilitation of joints, functional and

muscle movements of traumatized patients, providing professional more precise control of

speed, duration and physiotherapy movements. The construction of the prototype is composed

with a DC motor coupled the orthesis, an orthosis in aluminum, with one degrees of freedom,

microcontroller atmega328 and programming language for microcontroller and an IHM for user

interface.

Keywords: Mechatronics, Rehabilitation and Health.

1 - Aluno do curso de tecnologia em Mecatrônica Industrial – FATEC – Garça

2 - Aluno do curso de tecnologia em Mecatrônica Industrial – FATEC – Garça

3 - Orientador Docente da Faculdade de Tecnologia de Garça

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1 INTRODUÇÃO

O projeto apresentado neste artigo é resultado de uma pesquisa realizado no

curso de Mecatrônica Industrial da Fatec de Garça, realizada para proporcionar, aos

profissionais da área da saúde, uma órtese dinâmica automatizada para auxílio no

tratamento de pacientes com fratura de cotovelo.

Segundo a Organização Mundial da Saúde (OMS), atualmente, no mundo,

existem mais de um bilhão de pessoas que convivem com alguma forma de deficiência

e, entre estas, 200 milhões vivenciam dificuldades funcionais consideráveis.

A fratura na região do cotovelo pode causar diferentes traumas nos ossos e

articulações, podendo ficar com desvios de sua posição original, aumentando riscos

de incongruência e de artrose (desgaste da cartilagem).

(Gracitelli, 2015) O cotovelo é uma das articulações com maior propensão à rigidez ou à limitação dos movimentos e as principais causas da rigidez do cotovelo são:

Fraturas ou luxações do cotovelo Imobilização prolongada Artrose (degeneração da cartilagem) Artrose secundária (artrite reumatoide)

O projeto se baseia em desenvolver uma órtese, que permite um

aprimoramento da função de um paciente que tenha lesionado, ou com dificuldade de

movimentação, flexão, redução de força, desalinhamento do membro superior;

contribuindo no tratamento e ampliando a capacidade de movimento do mesmo,

podendo também ser utilizada para estabilizar o braço fraturado.

A órtese também tem um papel fundamental na rigidez do cotovelo, pois auxiliam no alongamento de partes moles. As mesmas podem ser estáticas (não permitem movimentos) ou dinâmicas (permite movimento). Diversos estudos médicos demonstram a eficácia do uso das órteses termoplásticas, com um ganho médio de 40° da amplitude de movimento do cotovelo (Gracitelli, 2015).

1.1 Objetivo Geral

Através das tecnologias contempladas no curso de mecatrônica surgiu a ideia

de desenvolver um protótipo, que possa proporcionar ao paciente, recuperação do

movimento do membro superior (braço e antebraço) e agilizar este processo,

automatizando uma órtese dinâmica para utilizar na reabilitação de fraturas do

cotovelo.

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1.2 Objetivos Específicos

Movimentar a órtese automatizada através de um motor e um controle remoto

infravermelho.

Desenvolver órtese automatizada para recuperar o movimento do paciente.

Ajudar na reabilitação de pessoas com fratura de cotovelo

1.3 Relevância do Projeto

O paciente quando fratura o cotovelo ou sofre alguma luxação perde

parcial/total, temporário ou permanente o movimento do membro dependendo do

caso, devido ao tempo de imobilização. Todavia o acompanhamento com profissionais

da área da saúde é extremamente necessário, no traumatismo e na reabilitação,

durante o tratamento alguns mecanismos como a órtese são utilizados.

“O alongamento é um dos principais métodos utilizados para a recuperação do movimento “ (Segundo Gracitelli, 2015).

Mediante este fato, decidiu-se elaborar um projeto de pesquisa que contribua

com profissionais da área na recuperação deste tipo de lesão através do uso da órtese

automatizada.

2 METODOLOGIA DE DESENVOLVIMENTO

A metodologia utilizada para a elaboração do protótipo é embasada em um

aprofundamento teórico sobre um sistema microcontrolado e controle remoto

infravermelho. Sendo utilizada uma placa de arduíno UNO composta por um

microcontrolador Atmega328 programado com linguagem de microcontrolador.

2.1 Revisões Bibliográficas

Segundo Rosário (2005), a Mecatrônica se constitui na aplicação de complexos

sistemas integrados decorrente das áreas de mecânica, eletroeletrônica, ciência da

computação, e devemos extrair o que é de mais adequado em cada uma das áreas,

que os resultados sejam de tal maneira a simples soma de especialidades, o conceito

de mecatrônica representa a combinação adequada das matérias.

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2.2 Arduino Uno A placa de desenvolvimento é baseada no microcontrolador ATMEGA328,

fabricado pela ATMEL e foi criado com intuito de facilitar sua utilização. Com isso será

utilizado no projeto a placa, pois se reduzir custos e dimensões do projeto.

O Arduino é uma plataforma de prototipagem de hardware eletrônica, que foi criada em 2005 na cidade de Ivrea, na Itália, com intuito de ensinar Design de Interação, uma disciplina que adota como principal metodologia a prototipação (MOREIRA; PORTELA, SILVA, 2013, p. 121).

2.3 ATMEGA328

Baseado na arquitetura RISC, este é um microcontrolador de 8-bits que dispõe

de 32KB de memória flash, 2KB de memória SRAM e 1KB de memória EEPROM.

Possui 32 registradores de propósito geral, três TIMERS e possibilidade de se utilizar

interrupções internas e externas. Está disponível uma USART, que pode ser

configurada de acordo com as necessidades do usuário. Possui 14 entradas digitais

sendo que, entre essas, 6 podem ser utilizadas como entradas analógicas. Possui um

conversor A/D com resolução de 10 bits e pode funcionar com diversas frequências

de osciladores externos. (MOURA, 2013, p.30)

Os pinos do microcontrolador bem como suas respectivas funções estão

dispostos conforme a Fig. (1).

Fig. (1)

Fonte: http://www.atmel.com/Images/doc8161.pdf

2.4 Tecnologia infravermelha Durante a primeira grande guerra mundial os controles remotos foram utilizados

em navios alemães para colidirem contra barcos aliados. Na segunda grande guerra

mundial o controle remoto era utilizado pela primeira vez para detonar bombas. Com

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o fim da guerra os cientistas tinham uma tecnologia muito avançada e sem uso,

décadas depois uma tecnologia indispensável no conforto do ser humano.

Conforme Layton, o método infravermelho (IR) consiste em enviar códigos

binários, através de um circuito que gera pulsos curtos e longos, por meio de luz

infravermelha invisível ao olho do ser humano. Um microcontrolador é responsável

por gerar o código e aciona um gerador de frequência que emite esses pulsos. O

equipamento controlado é composto por um receptor IR que capta o pulso enviado e

em conjunto com outro microcontrolador transforma o pulso em código e efetua o

comando.

2.5 Ponte H A ponte H é utilizada para fazer a inversão da rotação do motor, uma ponte H

simples precisa de 4 chaves eletrônicas ou mecânicas posicionadas da seguinte

forma.

O esquema básico de uma ponte H está representado na Fig. (2).

Fig. (2).

Fonte: Patsko (2006).

Segundo Patsko (2006), para que o motor gire basta acionar um par de chaves

na diagonal, 1 e 4 que os polos positivos e negativos serão enviados para o motor.

Para inversão de sentido é preciso desligar as chaves pressionadas e acionar as

outras duas chaves 2 e 3 que o sentido de rotação será invertido.

A ponte H ideal para o motor utilizado no protótipo é com transistor FET, já que

o motor trabalha com uma corrente alta e necessita de uma precisão considerável.

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Segundo Albuquerque e Seabra (2011), o transistor Fet de potência pertence á

classe dos dispositivos a condução de corrente elétrica, sendo os dispositivos de

potência com maiores velocidades de operação.

3 Síntese e Projeto do Protótipo

Para metodologia do projeto será utilizado os recursos da Mecatrônica, que

trabalha com três áreas em conjunto; Mecânica, Eletrônica e Computação, através de

um protótipo experimental para efetuar testes e análises dos resultados obtidos.

O protótipo em questão é o desenvolvimento de uma órtese dinâmica

automatizada para auxiliar profissionais da área de fisioterapia e terapia ocupacional

na reabilitação da fratura de cotovelo, consiste em uma órtese com estrutura toda em

alumínio, contendo suporte para o braço do paciente feito em tubo pvc, revestido com

material sintético de uso ortopédico para maior conforto e comodidade ao paciente,

um motor DC acoplado a estrutura fará o movimento de flexão e extensão do braço.

RESOLUÇÃO CFM N° 1.956/2010 – Disciplina a prescrição de materiais implantáveis, órteses e próteses e determina arbitragem de especialista quando houver conflito.

Art. 1° Cabe ao médico assistente determinar as características (tipo, matéria-prima, dimensões) das órteses, próteses e materiais especiais implantáveis, bem como o instrumental compatível, necessário e adequado à execução do procedimento (Conselho Federal de Medicina).

Para controlar todo o sistema foi utilizado um microcontrolador programado

para executar o processo de fisioterapia, através do controle remoto infravermelho é

possível comandar acionamento e velocidade do motor contido na órtese, para

movimento nos sentidos horário e anti-horário, proporcionando alongamento e flexão

da articulação atrofiada.

O equipamento conta com uma Interface Homem Maquina (IHM) para

proporcionar controle visual sobre a velocidade e modos de operação automático ou

manual do protótipo.

O projeto tem a vantagem de ter um custo acessível aos profissionais e

pacientes, já que o material da confecção é de baixo custo e eficiente.

Uma órtese não automatizada de termoplástico com regulagem para flexão e

extensão sob media custa em média R$ 800,00 reais segundo o fabricante Ortopedia

americana.

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O protótipo automatizado custa em média R$ 300,00 reais, ou seja, menos da

metade da órtese de termoplástico. Segue abaixo a tabela referente aos valores de

custo dos materiais utilizados na órtese.

Tabela 1: Custo médio da produção da órtese

Item Preço

Componentes eletrônicos R$180,00

Motor R$ 60,00

Órtese de alumínio R$ 60,00

Fonte: Os autores.

O projeto e as ideias, com o auxílio do software Autodesk Inventor, das peças

protótipo tomaram formas e foram para usinagem.

A órtese projetada está representada na Fig. (3)

Fig. (3) – desenho da órtese no software Inventor

Fonte: Os autores.

Em seguida pesquisas foram feitas para determinar qual o motor ideal para

atender a necessidade do torque e velocidade de movimento necessário no protótipo.

O motor utilizado para atender os parâmetros do protótipo é o micromotor DC

utilizado em várias aplicações na mecatrônica.

A imagem do motor está representada na Fig. (4)

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Fig. (4) - motor

Fonte: Etonm Motors (2016).

Tabela 2: Especificações Técnicas do motor.

Corrente 60 mA

Tensão Nominal 06 V

Torque 30 Kgf.cm

Velocidade 4 Rpm

Peso 190 g

Fonte: Etonm Motors (2016).

Tabela 3: Especificações técnicas de partida do motor.

Corrente 1 A

Torque 85 kgf.cm

Fonte: Etonm Motors (2016).

O torque necessário para o movimento de flexão e extensão do membro é

referente a massa do indivíduo, com isso decidiu-se utilizar um motor com um torque

de 85 kgf.cm de partida pois a aplicação do motor exige uma partida alta, para atender

pacientes com até 90kg de peso corporal.

A escolha do motor se refere ao peso baixo, que é essencial na aplicação do

equipamento, ao torque de partida alto suficiente para execução do movimento de

flexão e extensão, e a vantagem de não aquecer com sua utilização constante.

3.1 Cálculos do Torque

Para calcular o torque necessário na movimentação do membro utilizamos a

tabela seguinte:

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Tabela 4: Peso relativo em porcentagem de cada segmento corporal.

Seguimentos Corporais Peso (%)

Cabeça 7.8

Tronco 51

Braço 2.7

Antebraço 1.6

Mão 0.6

Coxa 9.7

Perna 4.5

Pé 1.5

Fonte: Mota (2016).

O movimento será realizado com o apoio da mão e antebraço, que juntos

somam 2.2% do peso total do paciente. Se o paciente tiver 90 Kg de massa o torque

mínimo necessário para movimentar é 2.97 N.m aproximadamente 30kgf.cm.

Fórmulas

Mt = F x D

F = M x A

Onde:

Mt: Torque (N/m)

F: Força (N)

D: Distância (m)

M: Massa (Kg)

A: Aceleração da gravidade (M/s²)

2.2 𝑋 90

100= 1.97 𝐾𝑔

𝐹 = 1.97 𝑋 10

10

𝐹 = 19.7 𝑁

𝐷 = 15𝐶𝑚 = 0.15 𝑚

𝑀𝑡 = 19.7 𝑥 0.15

𝑀𝑡 = 2.97 𝑁𝑚

A imagem da órtese está representada na Fig. (5)

Fig. (5)

Fonte: Os autores

Para acionamento e controle do motor é utilizado uma placa Arduino UNO

contendo um microcontrolador Atmega 328, um display lcd para interface do operador,

com um controle remoto universal variando modos operacionais estabelecidos na

programação do microcontrolador.

O movimento de rotação e inversão do motor é feito através do modulo de

pequena dimensão IBT02 com capacidade de corrente até 30 A, que proporciona a

utilização do circuito diretamente na Órtese proporcionando locomoção do paciente e

fisioterapeuta. O circuito foi desenvolvido com o auxílio do software Proteus e a placa

foi confeccionada através do método de foto transferência. A placa é implantada

diretamente na órtese

O diagrama elétrico está representado na Fig. (6)

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Fig. (6)

Fonte: Os autores

O circuito utiliza uma bateria de 9 v que alimenta o motor e o circuito de controle

proporcionando a vantagem de ser compacto e leve.

Para confecção da placa foi utilizado um método de fototransferência, que

necessita de uma lâmpada luz negra para revelar a imagem impressa no fotolito para

placa, e em seguida corroída com percloreto de ferro.

A imagem do circuito confeccionado é mostrada na Fig. (7)

Fig. (7) Fonte: Os autores.

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A imagem do protótipo finalizado está na Fig. (8)

Fig. (8) Fonte: Os autores.

4 CONLUSÃO E PROPOSTAS DE CONTINUIDADE

Neste trabalho, foi desenvolvido um protótipo para auxiliar profissionais da área

de fisioterapia e terapia ocupacional na reabilitação de pacientes com fratura de

cotovelo.

Podemos concluir que o protótipo desenvolvido executa o movimento de flexão

e extensão do membro que é de 0º a 145º, entretanto o teste em pacientes com esse

tipo de lesão não foi efetuado, não sendo analisado se o protótipo é funcional na

reabilitação. Com o auxílio de profissionais da área da saúde o protótipo deverá ser

analisado e estudado para enfim ser testado e produzido. A tecnologia atual pode

proporcionar melhorias na qualidade de vida e na saúde de pessoas que necessitam

da fisioterapia e terapia ocupacional, proporcionando aos profissionais da área meios

alternativos na reabilitação.

O objetivo do projeto foi alcançado parcialmente. Desenvolvemos o protótipo,

testamos e alcançamos em pratica a execução do movimento de flexão e extensão,

ressaltado que a aplicação em pacientes não pode ser feita a tempo. Outro fator

importante é que o projeto tem um custo acessível podendo ser viável

financeiramente. Este trabalho foi relevante, por explorar a área da mecatrônica

aplicada na área da saúde e também por validar os conhecimentos teóricos adquiridos

no curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial na construção de um produto

possibilitando colocar em prática os conhecimentos teóricos durante o curso de

mecatrônica Industrial.

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5 REFERÊNCIAS

GRACITELLI, M. Rigidez do cotovelo - Limitação dos movimentos do cotovelo

disponível em: < http://maurogracitelli.com/blog/limitacao-dos-movimentos-do-

cotovelo-rigidez-do-cotovelo>. Acesso em: 22 mar. 2016. RÔMULO, O. A.; SEABRA. A. C. Utilizando eletrônica com AO, SCR, TRIAC, UJT, PUT, CI555, LDR, LED, IGBT e FET de Potência. 3º Reimpressão. São Paulo. 2011- Editora Érica Ltda.

ALVES, M, V, P. Cinesiologia e Biomecânica Disponível em: <

ttp://pt.slideshare.net/MarcusAlves2/apostila-cinesiologia-e-

biomecnica?from_action=save>. Acesso em: 22 mar. 2016. ROSÁRIO, J. M. Princípios de mecatrônica. 6. ed. Reimpressão. São Paulo: Baraúna, 2011. Relatório mundial sobre a deficiência. Disponível em: <http://www.pessoacomdeficiencia.sp.gov.br/usr/share/documents/relatorio_mundial_completo.pdf>. Acesso em: 24 mar. 2016.

Banzi, M. Primeiros passos com o arduino. São Paulo: Novatec Editora, 2011. Como funcionam os controles remotos. Disponível em: < http://tecnologia.hsw.uol.com.br/controle-remoto.htm>. Acesso em: 4 abr. 2016. Tutorial montagem da ponte H. Disponível em: <http://www.maxwellbohr.com.br/downloads/robotica/mec1000_kdr5000/tutorial_eletronica_-_montagem_de_uma_ponte_h.pdf>. Acesso em: 10 abr. 2016. Ortopedia Americana Disponível em: < http://www.ortopediaamerica.com.br/index.php>. Acesso em: 15 abr. 2016. Etonm Motors Disponível em: < http://pt.etonm.com/>. Acesso em: 25 maio. 2016.