Projeto de um dispositivo médico para apoio ao diagnóstico...

Ana Rita Machado Ferreira

Projeto de um dispositivo médico para apoioao diagnóstico de patologias no tornozelo

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Universidade do MinhoEscola de Engenharia

Outubro de 2014

Dissertação de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes aoGrau de Mestre em Engenharia Mecânica

Trabalho efetuado sob a orientação doProfessor Doutor Filipe Samuel Correia Pereira da Silva

e coorientação doProfessor Doutor João Paulo Flores Fernandes

Ana Rita Machado Ferreira

Projeto de um dispositivo médico para apoioao diagnóstico de patologias no tornozelo

Universidade do MinhoEscola de Engenharia

Projeto de um dispositivo médico para apoio ao diagnóstico de patologias no tornozelo Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

iii

Work hard. Have fun.

Make history.

Jeffrey Bezos


v

Agradecimentos

Ao Professor Filipe Silva e ao Professor Paulo Flores um muito obrigado é pouco para agradecer a

disponibilidade e cooperação que permitiram a realização deste trabalho.

À Engenheira Ana Leal, ao Professor João Espregueira-Mendes, ao Doutor Hélder Pereira e ao

Fisioterapeuta Rogério Pereira agradeço a sua essencial colaboração na integração da área médica que

impreterivelmente constitui este projeto.

Aos meus amigos, ao Rúben, à Helena, ao José Afonso, ao Miguel, ao Paulo, ao Fernando e ao Tiago,

não agradeço a colaboração neste trabalho mas em todo o percurso pessoal e académico ao longo dos últimos

cinco anos.

À minha irmã, à minha mãe, aos meus avós e ao Bruno, não agradeço a vossa colaboração, agradeço

todo o vosso trabalho, comigo e por mim.

Rita


vii

Resumo

De todo o sistema musculosquelético, a articulação tibiotársica é a que regista maior incidência de

lesões de todas as articulações do corpo humano quer durante a realização de atividades diárias como na

prática desportiva. A constante solicitação funcional do tornozelo, especialmente na realização de exercício

físico ao qual está associada constantemente a necessidade de elevação do corpo face ao solo, tem como

principal consequência a exposição dessa estrutura a condições críticas adversas aos requisitos ideais de

equilíbrio e estabilização.

Um dos obstáculos ainda muito comum atualmente é o facto das etapas de análise e diagnóstico

dessas lesões serem realizadas durante duas fases distintas: um exame manual feito pelo médico ortopedista

com o intuito de avaliar a capacidade funcional recorrendo à simulação do movimento e à palpação da zona

periférica da dor, e por um exame imagiológico, onde é avaliada a condição anatómica desse membro através

da análise da posição relativa dos elementos.

O facto dos dois exames serem realizados em espaços de tempo diferentes dificulta a convergência

dos resultados obtidos, diminuindo significativamente o efeito de complementaridade ao qual os dois deveriam

estar associados. Por outro lado, com o recurso a este tipo de técnicas de diagnóstico não é possível alcançar

o rigor e a reprodutibilidade que são indispensáveis num processo desta natureza. Assim, com o objetivo de

facilitar e otimizar o processo de diagnóstico, tanto do ponto de vista do doente, como do dos radiólogos e

ortopedistas, apresenta-se neste trabalho o projeto de um dispositivo médico para apoio ao diagnóstico de

patologias no tornozelo.

Para o desenvolvimento do projeto foram estabelecidos os objetivos do trabalho de forma a definir as

caraterísticas do produto final. Nesse sentido foram realizadas várias reuniões com a equipa de trabalho onde

se estabeleceram os requisitos a que o produto deveria obedecer e que darão origem às especificações

técnicas.

Para o projeto concetual o dispositivo foi dividido em três subsistemas para os quais foram propostas

diferentes soluções, que mediante a sua viabilidade foram, ou não, modeladas tridimensionalmente. Depois de

escolhida a melhor solução para cada subsistema ficou definida a solução final.

Com a solução adotada é possível associar a um exame imagiológico de precisão, como a Ressonância

Magnética, um esforço físico. Desta forma permite a quantificação do limite móbil da estrutura de um tornozelo,

o que constitui uma mais-valia para os profissionais de saúde e para os pacientes.


ix

Abstract

Of the entire musculoskeletal system, the hock joint is the one that registers the highest incidence of

injuries of all joints in the human body, not only during daily activities but also in sports. The constant functional

request of the ankle, especially during the practice of sports activities which are constantly associated with the

need to raise the body relatively to the ground, has as main consequence the exposure of this structure to critical

conditions that are the opposite of the ideal requirements of balance and stabilization.

One of the obstacles that is still very common nowadays is the fact that the analysis and diagnosis

stages of these injuries are performed during two distinct phases: a manual examination done by an orthopedist

in order to evaluate the functional capacity using the simulation of movement and palpation of the peripheral

pain area, and through an imaging examination, where the anatomical condition of that member is evaluated

by the analysis of the relative position of the elements.

The fact that the two tests are performed in different time slots, makes the convergence of the results

obtained difficult, reducing significantly the effect of complementarity to which both should be associated.

Moreover, with the use of such diagnostic techniques the accuracy and reproducibility that are essential in a

process of this nature can’t be achieved. Thus, in order to ease and optimize the diagnostic process, the point

of view of the patient's and also of radiologists and orthopedists is considered, and this way in this paper the

design of a medical device to support the diagnosis of ankle pathologies is presented.

For the development of the project the goals of the work were established with the aim of define the

final characteristics of the device. To achieve and define the main goals of the project several meetings were

held with the work group, establishing the requirements that the product should obey and that will form the

technical specifications.

For the conceptual design, the device has been divided in three subsystems for which different solutions

have been proposed, and depending of their viability, were or not three-dimensionally modeled. After the

selection of the best solution for each subsystem, the final solution for the device became fully defined.

With the adopted solution is possible to associate a physical effort to a precision imaging examination,

such as MRI. This way it allows the quantification of the mobile limit of the ankle structure, which is an asset for

health professionals and for the patients.


xi

Índice

Capítulo 1. Introdução ___________________________________________________________ 1

Capítulo 2. Caraterização da articulação do tornozelo _____________________________________ 7

2.1. Localização e função _______________________________________________________ 9

2.2. Anatomia e fisiologia ______________________________________________________ 10

2.2.1. Sistema esquelético ____________________________________________________ 10

2.2.2. Sistema articular ______________________________________________________ 13

2.2.3. Sistema muscular ______________________________________________________ 17

2.3. Cinesiologia da articulação __________________________________________________ 20

2.3.1. Movimento de rotação ___________________________________________________ 23

2.3.2. Movimentos de flexão e extensão ___________________________________________ 25

2.3.3. Movimentos de eversão e inversão __________________________________________ 27

2.3.4. Movimentos de abdução e adução __________________________________________ 29

2.3.5. Movimentos de supinação e pronação _______________________________________ 30

2.3.6. Movimentos de translação anterior e posterior _________________________________ 31

Capítulo 3. Patologias, métodos e meios _____________________________________________ 33

3.1. Lesões que afetam a articulação do tornozelo ____________________________________ 35

3.1.1. Entorse lateral ________________________________________________________ 36

3.1.2. Instabilidade astrágalo-calcaneana __________________________________________ 39

3.1.3. Entorse medial ________________________________________________________ 40

3.1.4. Entorse alta do tornozelo (sindesmose) _______________________________________ 41

3.2. Métodos de avaliação das principais lesões ______________________________________ 43

3.2.1. Exame físico __________________________________________________________ 43

3.2.2. Exame imagiológico ____________________________________________________ 47

3.3. Dispositivos de auxílio ao diagnóstico __________________________________________ 49

3.3.1. Goniómetro universal ___________________________________________________ 50

3.3.2. Telos Stress Device _____________________________________________________ 50

3.3.3. Porto Knee Testing Device (PKTD) __________________________________________ 51

3.3.4. Comparação entre os dispositivos existentes ___________________________________ 52

Capítulo 4. Projeto do novo dispositivo _______________________________________________ 53

4.1 Metodologia de projeto _____________________________________________________ 55

4.2 Fase de desenvolvimento ___________________________________________________ 56


xii

4.2.1 Definição dos objetivos __________________________________________________ 56

4.2.2 Definição dos requisitos __________________________________________________ 58

4.2.3 Definição das especificações técnicas ________________________________________ 62

4.3 Projeto concetual_________________________________________________________ 64

4.3.1 Modelo de encaixe no Porto Knee Testing Device ________________________________ 65

4.3.2 Modelo de suporte e fixação do pé __________________________________________ 66

4.3.3 Modelo para a execução dos movimentos _____________________________________ 69

4.3.4 Projeto técnico dos componentes ___________________________________________ 80

4.4 Análise da solução final ____________________________________________________ 90

4.4.1 Reprodução do movimento de translação anterior _______________________________ 92

4.4.2 Reprodução do movimento de translação posterior ______________________________ 93

4.4.3 Reprodução dos movimentos de rotação lateral e medial __________________________ 94

4.4.4 Reprodução dos movimentos de eversão e inversão ______________________________ 96

Capítulo 5. Validação e otimização _________________________________________________ 97

5.1. Validação do dispositivo ____________________________________________________ 99

5.2. Otimização ____________________________________________________________ 101

5.2.1. Estrutura interna ______________________________________________________ 102

5.2.2. Seleção do material ___________________________________________________ 103

5.2.3. Processo de fabrico ___________________________________________________ 104

5.2.4. Análise do PKTD ______________________________________________________ 107

5.3. Análise de custos _______________________________________________________ 108

Capítulo 6. Conclusões e trabalhos futuros __________________________________________ 113

Referências Biliográficas __________________________________________________________ 119

Anexo A. Glossário ______________________________________________________________ 131

Anexo B. Excerto da Ficha Técnica do poliacetal _________________________________________ 135

Anexo C. Ficha Técnicas do PTFE ____________________________________________________ 141

Anexo D. Desenhos Técnicos _______________________________________________________ 145

Anexo E. Modelos de estruturas celulares ______________________________________________ 171

Anexo F. Ficha técnica de uma resina de poliuretano ______________________________________ 179

Anexo G. Avaliação geométrica do cilindro ______________________________________________ 183


xiii

Índice de Figuras

Figura 2.1. Categorização geral do membro inferior ________________________________________________ 9

Figura 2.2 - Esqueleto axial e esqueleto apendicular. ______________________________________________ 11

Figura 2.3. Caraterização do sistema esquelético do membro inferior (com pormenor no tornozelo) _____________ 12

Figura 2.4 - Caraterização dos ossos da perna. __________________________________________________ 12

Figura 2.5 - Identificação e localização relativa dos ossos do tarso. ____________________________________ 13

Figura 2.6 - Ilustração e localização da articulação tibiotársica e dos seus constituintes. _____________________ 15

Figura 2.7 – Caraterização da articulação tibiotársica e dos seus ligamentos pela face lateral. _________________ 16

Figura 2.8 - Músculos da perna que atuam sobre a perna, o tornozelo e o pé. ____________________________ 19

Figura 2.9 - Planos principais de movimento no corpo humano _______________________________________ 21

Figura 2.10 - Movimento relativo dos segmentos (ossos) durante a caminhada. ___________________________ 23

Figura 2.11 - Ilustração dos movimentos de rotação num plano paralelo ao plano transverso representado. _______ 24

Figura 2.12 - Movimento de rotação medial e lateral no tornozelo. _____________________________________ 25

Figura 2.13 - Ilustração dos movimentos de flexão e extensão num plano paralelo ao plano sagital representado. ___ 26

Figura 2.14 - Movimento de rotação extensão e flexão do tornozelo. ____________________________________ 27

Figura 2.15 - Ilustração dos movimentos de eversão e inversão num plano paralelo ao plano frontal representado. __ 28

Figura 2.16 – Movimento de eversão e inversão no tornozelo. ________________________________________ 29

Figura 2.17 - Ilustração dos movimentos de abdução e adução num plano paralelo ao plano transverso representado. 29

Figura 2.18 - Ilustração dos movimentos de supinação e pronação nos três planos. ________________________ 30

Figura 2.19 - Movimentos de translação no tornozelo. _____________________________________________ 31

Figura 3.1 - Representação esquemática do mecanismo de lesão no tornozelo. ___________________________ 35

Figura 3.2 - Entorse lateral pelo movimento de inversão. ____________________________________________ 37

Figura 3.3 - Ligamentos sujeitos a rutura durante a entorse lateral. ____________________________________ 38

Figura 3.4 - Entorse medial pelo movimento de eversão. ____________________________________________ 41

Figura 3.5 - Ligamentos sujeitos a rutura durante a entorse lateral. ____________________________________ 41

Figura 3.6 – Entorse alta do tornozelo pelo movimento de rotação lateral. _______________________________ 42


xiv

Figura 3.7 – Ligamento que limita o movimento de rotação lateral. ____________________________________ 42

Figura 3.8 - Teste da gaveta anterior. _________________________________________________________ 44

Figura 3.9 - Teste de esforço em varo. _________________________________________________________ 45

Figura 3.10 - Exemplo de um goniómetro universal utilizado para medir a amplitude articular entre dois segmentos. _ 50

Figura 3.11 - Aplicação do Telos Stress Device (a) e respetiva imagem obtida através de uma radiografia (b). ______ 51

Figura 3.12 – Modelo do Porto Knee Testing Device. ______________________________________________ 51

Figura 4.1 - Árvore de objetivos com as principais exigências do projeto do dispositivo médico. ________________ 57

Figura 4.2 – Peça de encaixe do mecanismo de rotação do pé do Porto Knee Testing Device. _________________ 65

Figura 4.3 - Peça de encaixe no PKTD, antes e após a realização das alterações. __________________________ 66

Figura 4.4 – Esboços das soluções possíveis para o suporte do pé. ____________________________________ 67

Figura 4.5 - Soluções para o suporte do pé modeladas tridimensionalmente. _____________________________ 67

Figura 4.6 - Movimentos que devem ser realizados pelo dispositivo. ____________________________________ 70

Figura 4.7 - Esboços das soluções possíveis para o movimento de translação anterior. ______________________ 71

Figura 4.8 - Solução adotada para o movimento de translação anterior. _________________________________ 72

Figura 4.9 - Solução adotada para o movimento de translação posterior. ________________________________ 72

Figura 4.10 - Esboços das possíveis soluções considerando que o dispositivo poderá realizar os três movimentos de

rotação. ______________________________________________________________________________ 74

Figura 4.11 – Solução que permite a combinação do movimento de rotação lateral e medial, do movimento de eversão e

inversão e do movimento de extensão e flexão (a) com e (b) sem a peça de encaixe no PKTD._________________ 75

Figura 4.12 - Localização errada do eixo transversal em torno do qual se realizam os movimentos de flexão e extensão.

____________________________________________________________________________________ 76

Figura 4.13 - Possibilidade de solução para a combinação dos três movimentos de rotação com todos os eixos localizados

corretamente. __________________________________________________________________________ 76

Figura 4.14 - Esboços das possíveis soluções considerando que o dispositivo poderá realizar movimentos de rotação em

torno dos eixos longitudinal e transversal. ______________________________________________________ 77

Figura 4.15 - Solução adotada para a localização das superfícies de deslizamento dos movimentos de rotação lateral e

medial e de eversão e inversão. _____________________________________________________________ 78

Figura 4.16 - Esboços das possíveis soluções para o posicionamento dos mecanismos responsáveis pela execução dos

movimentos. ___________________________________________________________________________ 78


xv

Figura 4.17 - Possível solução para o mecanismo responsável pelos movimentos nos eixos longitudinal e sagital com a

caixa protetora (a) e sem a caixa protetora (b). ___________________________________________________ 79

Figura 4.18 – Principais soluções para os mecanismos responsáveis pelos movimentos de rotação e de eversão e inversão

com recurso a uma alavanca (a) ou de forma independente (b). ______________________________________ 79

Figura 4.19 - Compressor utilizado no sistema pneumático. _________________________________________ 81

Figura 4.20 - Princípio de funcionamento do compressor utilizado. ____________________________________ 81

Figura 4.21 - Manómetro que se encontra acoplado ao compressor utilizado. _____________________________ 82

Figura 4.22 - Perspetiva em corte do conjunto pneumático utilizado. ___________________________________ 83

Figura 4.23 – Distância entre as extremidades da peça de fixação do cilindro pneumático responsável pelo movimento

de rotação sem parafuso e porca. ____________________________________________________________ 86

Figura 4.24 - Cargas a que se encontra sujeito o cilindro que promove os movimentos de translação. ___________ 86

Figura 4.25 - Área resistente à tensão de corte na base da rosca [105]. _________________________________ 88

Figura 4.26 - Modelo para a obtenção dos perfis dos dentes por envolvente numa engrenagem cremalheira. ______ 88

Figura 4.27 - Solução adotada para o Porto Ankle Testing Device. _____________________________________ 90

Figura 4.28 - Porto Ankle Testing Device acoplado ao Porto Knee Testing Device. __________________________ 91

Figura 4.29 - Descrição da ligação estabelecida entre a peça principal e os restantes componentes. ____________ 91

Figura 4.30 - Descrição da ligação estabelecida entre a base do suporte do pé e os restantes componentes. ______ 92

Figura 4.31 - Pormenor da peça de contacto com o calcanhar no Teste da Gaveta Anterior. __________________ 93

Figura 4.32 – Pormenor da peça utilizada para o posicionamento em altura do suporte do pé. ________________ 94

Figura 4.33 - Princípio de funcionamento do mecanismo que realiza os movimentos de rotação lateral (a) e medial (b).

____________________________________________________________________________________ 95

Figura 4.34 - Movimentos de rotação lateral e medial e respetivas amplitudes de movimento. _________________ 95

Figura 4.35 - Movimentos de eversão e inversão e respetivas amplitudes de movimento. _____________________ 96

Figura 5.1 - Posição neutra (a) e posição avançada (b) nos movimentos de translação anterior no dispositivo. _____ 99

Figura 5.2 - Posição neutra (a) e posição avançada (b) nos movimentos de translação posterior no dispositivo. ____ 100

Figura 5.3 - Posição de rotação medial (a), posição neutra (b) e posição de rotação lateral (c) no dispositivo. _____ 100

Figura 5.4 - Posição de inversão (a), posição neutra (b) e posição de eversão (c) no dispositivo. _______________ 101

Figura 5.5 - Relação entre conceitos que afetam o custo final do dispositivo. ____________________________ 101


xvi


xvii

Índice de Tabelas

Tabela 2.1 - Músculos da perna que estão envolvidos nos movimentos de flexão e extensão [14]. ______________ 26

Tabela 2.2 - Músculos da perna que estão envolvidos nos movimentos de eversão e inversão [14]. _____________ 28

Tabela 3.1 - Análise comparativa entre os dispositivos existentes atualmente. _____________________________ 52

Tabela 4.1 - Listagem dos requisitos do projeto __________________________________________________ 58

Tabela 4.2 - Listagem das especificações de desempenho para o projeto. _______________________________ 63

Tabela 4.3 - Medidas antropométricas do comprimento e largura do pé. ________________________________ 68

Tabela 4.4 - Caraterísticas geométricas do cilindro pneumático utilizado no PKTD. _________________________ 83

Tabela 4.5 - Resultados obtidos para o processo de validação dos cilindros pneumáticos. ____________________ 83

Tabela 4.6 - Propriedades físicas que influenciam o estudo da imobilização do cilindro pneumático._____________ 87

Tabela 4.7 - Caraterísticas dos mecanismos que realizam os movimentos de rotação e de eversão ou inversão. ____ 89

Tabela 5.1 - Comparação entre as principais técnicas de impressão tridimensional [110]. ___________________ 106

Tabela 5.2 - Síntese dos problemas apresentados pela análise do PKTD. _______________________________ 107

Tabela 5.3 - Custos associados ao consumo de matéria-prima utilizando dois equipamentos de impressão tridimensional.

___________________________________________________________________________________ 110

Projeto de um dispositivo médico para apoio ao diagnóstico de patologias no tornozelo Capítulo 1. Introdução

1

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO

O projeto mecânico surge, na maioria das vezes, pela necessidade de solucionar os problemas do dia-

a-dia que se podem inserir em áreas absolutamente distintas, como a medicina e a engenharia. A introdução

do trabalho apresenta uma abordagem global dos objetivos e da metodologia utilizada para solucionar um

problema relacionado com o processo de diagnóstico de lesões ligamentares na articulação do tornozelo. Será

também feita referência à estrutura do presente documento de modo a contextualizar o leitor nas temáticas

que serão apresentadas.


2


3

A reunião de conhecimentos de áreas absolutamente distintas foi conseguida de uma forma de tal

modo harmoniosa, que tem proporcionado inúmeros projetos de inovação a nível global, capazes de fornecer

à sociedade conforto, conhecimento e longevidade, indispensáveis para a conservação dessa filosofia como um

estilo de vida.

Com o desenvolvimento técnico e tecnológico disponível atualmente, o progresso tende cada vez mais

para um domínio em que os dispositivos e equipamentos são projetados para evitar que o Homem desempenhe

funções que possam pôr em causa a sua segurança, ou até mesmo para desempenhar funções com

caraterísticas de precisão, velocidade ou reprodutibilidade que não são possíveis à destreza humana.

Na sua generalidade os trabalhos de projeto ou de investigação e desenvolvimento pode ser proposta

com um dos principais objetivos: criar um produto novo no mercado capaz de desempenhar uma nova função;

desenvolver um método para resolver um dado problema ou ainda otimizar um produto que se tornou obsoleto.

Deste conjunto, o presente trabalho apresentado pode ser integrado na primeira categoria.

Embora nas últimas décadas tenha existido um progresso extremamente notório quer no diagnóstico,

como no tratamento de diversas patologias, a saúde continua a ser atualmente um dos domínios com maiores

investimento. Nesse sentido, têm sido desenvolvidas diversas ferramentas com o intuito de diagnosticar e tratar

as doenças que têm oferecido maior resistência ao ser humano. Para além das doenças mais raras em que,

de forma geral, o diagnóstico é tardio e o tratamento é ineficaz, existem diversas doenças crónicas que afetam

a qualidade de vida do paciente, incapacitando-o de satisfazer as suas necessidades básicas de forma livre e

autónoma.

A articulação do tornozelo, bem como os seus constituintes, representam um dos principais conjuntos

responsáveis pela exequibilidade das funções do membro inferior. Os seus requisitos funcionais encontram-se

por vezes associados a uma solicitação excessiva, existindo diversas fontes que indicam que entre as diversas

patologias que podem ser registadas no sistema musculosquelético, a entorse na articulação do tornozelo é

uma das principais lesões articulares. Contudo, o sucesso do diagnóstico de uma lesão pode ditar de um modo

fulcral o seu desenvolvimento e consequentemente a qualidade de vida do paciente.

De acordo com essa ideologia, surgiu do Professor Doutor João Espregueira-Mendes e da sua equipa

da Clínica Espregueira Mendes ao Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade do Minho a proposta


4

para o desenvolvimento de um novo mecanismo capaz de simular alguns dos movimentos da articulação do

tornozelo aquando da realização de um exame imagiológico.

O desenvolvimento de um dispositivo capaz de desempenhar tais funções apresenta como principais

vantagens a possibilidade de realizar um diagnóstico recorrendo a informações que provêm simultaneamente

de dois testes distintos, a capacidade de garantir a reprodutibilidade e repetibilidade das condições de exame

entre os diferentes pacientes e ainda a inexistência da necessidade de expor os técnicos às radiações emitidas

cada vez que é necessário posicionar o pé com um dado movimento específico.

Assim, para o desenvolvimento do novo dispositivo torna-se absolutamente necessário compilar os

principais conceitos das áreas intervenientes de modo que o produto final cumpra os requisitos estabelecidos

na fase inicial do projeto. A transmissão da experiência da equipa de trabalho da Clínica Espregueira-Mendes

tanto na realização de exames físicos como em exames imagiológicos (a ressonância magnética e a tomografia

axial computorizada) foi um elemento essencial quer na integração como durante o projeto concetual da solução

final.

Neste, ou no decorrer de qualquer projeto técnico de um dispositivo, independentemente da função

que ele desempenha, todas as variáveis devem ser controladas de forma que o produto final respeite as

condições ambientais e ergonómicas que lhe possam ser associadas e represente o menor custo para a

entidade que o comercializa.

Para a realização do presente trabalho, tal como na maior parte dos trabalhos de projeto mecânico, a

fase de definição dos objetivos e dos requisitos que devem estar presentes no produto final apenas será

conseguida com a reunião do conhecimento das diferentes áreas envolvidas. Para isso foram realizadas

diversas reuniões com os profissionais de saúde, que permitiram o estabelecimento das condições

indispensáveis na fase inicial e também a avaliação das diversas soluções que foram criadas ao longo do projeto

concetual.

A solução final foi validada através do modelo tridimensional, para o qual foi avaliada a sua capacidade

de funcionamento com recurso a um software de simulação virtual. Como na fase seguinte será construído um

protótipo físico, foi realizada uma análise de custos com o objetivo de avaliar a melhor tecnologia de fabrico

para a produção do dispositivo.


5

O presente documento encontra-se estruturado em seis capítulos, dos quais no capítulo dois é

apresentada uma caraterização anatómica1 da articulação do tornozelo, com a descrição dos seus principais

constituintes e ainda de alguns elementos com os quais estabelecem ligação. No final desse capítulo

encontram-se expostos os principais movimentos que afetam essa articulação, com a definição dos planos e

dos eixos ortogonais envolvidos.

No capítulo três estão agrupadas as lesões com maior incidência na articulação em estudo e são ainda

enumerados os principais testes realizados durante um exame clínico, bem como os exames imagiológicos

mais utilizados. Com este capítulo é possível perceber as principais dificuldades encontradas atualmente que

geram a necessidade de elaboração deste projeto. Por fim, são apresentados os equipamentos já existentes no

mercado com funcionalidade semelhante à do dispositivo de apoio ao diagnóstico de patologias no tornozelo.

No capítulo quatro está definida a metodologia adotada, com a identificação dos objetivos, requisitos e

especificações de desempenho do produto final. De seguida, são descritas as etapas de desenvolvimento do

projeto onde se encontram os estudos analíticos que validam a utilização dos componentes e no final é realizada

uma descrição pormenorizada da solução adotada.

No capítulo cinco apresenta-se o processo utilizado para a validação da solução, bem como um estudo

relativo à otimização do dispositivo de acordo com as caraterísticas impostas pela seleção do material e do

processo de fabrico dos componentes.

E por último, no capítulo seis, são apresentadas as principais conclusões do trabalho e as propostas

de trabalhos futuros.

1 Tendo em conta que para uma correta caraterização deverá ser utilizada a terminologia científica adequada no Anexo A do presente documento encontra-se um glossário com as definições dos termos desta área que são utilizados.


6

Projeto de um dispositivo médico para apoio ao diagnóstico de patologias no tornozelo Capítulo 2. Caraterização da articulação do tornozelo

7

CAPÍTULO 2. CARATERIZAÇÃO DA ARTICULAÇÃO DO TORNOZELO

Com este capítulo pretende-se compreender o acionamento e a interação entre as partes constituintes

do membro inferior, permitindo a caraterização estrutural e funcional do tornozelo. A abordagem desta temática

no presente documento tem como objetivo integrar e contextualizar o leitor no âmbito de aplicação do dispositivo

de auxílio ao diagnóstico.


8


9

2.1. Localização e função

De acordo com uma abordagem bastante simplista o corpo humano pode ser dividido em quatro regiões

principais facilmente identificáveis: a cabeça, o pescoço, o tronco e os membros (superiores e inferiores), no

entanto o seu estudo pode tornar-se bastante complexo com o aumento do detalhe e da especificidade da

análise dos sistemas e dos elementos que o constituem.

De acordo com a generalidade da bibliografia deste âmbito, o corpo humano é composto por nove2

sistemas distintos, porém, para o trabalho em questão, apenas será feita a referência ao sistema esquelético,

articular e muscular. Estes são os intervenientes que podem estar associados de forma mais direta à análise

das caraterísticas funcionais da articulação do tornozelo.

A articulação do tornozelo, bem como os seus constituintes, representa um dos principais conjuntos

responsáveis pela exequibilidade das funções do membro inferior como o suporte do peso do corpo (com o

mínimo gasto de energia por parte dos músculos) e a locomoção, ou seja, a movimentação do corpo do espaço.

Tal como se encontra representado na Figura 2.1, o membro inferior podem ser compartimentado em cinco

zonas facilmente distinguíveis pela linguagem corrente: a anca, a coxa, o joelho, a perna, o tornozelo e o pé,

das quais o joelho e o tornozelo representam estruturas articulares e os restantes representam segmentos que

articulam entre si.

Figura 2.1. Categorização geral do membro inferior

(Adaptado de: http://fisioterapeutico.blogspot.pt/2013/07/dor-ciatica.html)

Para o deslocamento do corpo é necessário que haja uma integração simultânea dos movimentos de

todas as articulações para posicionar o pé sobre o chão e mover o corpo sobre o pé.

2 Os nove sistemas que constituem o corpo humano são: o tegumentar (revestimento do corpo); o esquelético, muscular e articular; o

nervoso; o endócrino (glândulas e tecidos); o cardiovascular e linfático; o respiratório; o digestivo; o urinário e o genital [1].


10

O membro inferior corresponde apenas a 10% do peso corporal [1] e é habitualmente caraterizado pela

estabilidade e pela robustez da sua construção, caraterísticas indispensáveis na receção e transmissão de

cargas durante o deslocamento corporal.

Para perceber de uma forma mais clara qual é a contribuição da estrutura do tornozelo nas referidas

atividades é necessário estudar também os elementos que se encontram na sua periferia e que direta ou

indiretamente interferem nas suas funções.

2.2. Anatomia e fisiologia

A anatomia é a ciência que estuda a estrutura macroscópica do indivíduo, mais concretamente dos

seus diferentes órgãos e sistemas, bem como a correlação entre eles [1]. Se se associar esse conhecimento à

informação sobre a constituição e funcionalidade de cada elemento do corpo humano (a fisiologia) torna-se

possível compreender como e porquê, uma determinada ação numa zona do corpo pode desencadear um

conjunto de reações nas restantes que aparentemente lhe seriam alheias. [2]

A estrutura do corpo humano encontra-se organizada em seis níveis3 distintos, todos eles relevantes

para o estudo anatómico e fisiológico do mesmo [3, 4]. Embora um número significativo de sistemas do corpo

humano desempenhem funções que afetam, direta ou indiretamente, a capacidade de movimentação do

membro inferior apenas será feita referência à constituição e às interações com o sistema musculosquelético4,

visto que este é o sistema com significativamente maior representação física e funcional na estrutura do

tornozelo.

2.2.1. Sistema esquelético

O sistema esquelético é composto por todos os ossos do corpo humano que, de forma individual,

podem ser classificados como órgãos pois possuem vários tecidos, como por exemplo os tecidos nervosos, as

cartilagens, os tecidos conetivos densos, entre outros.

O tecido ósseo e o sistema esquelético são responsáveis por várias funções básicas: a sustentação (a

estrutura do esqueleto proporciona pontos de fixação para a maioria dos músculos esqueléticos); a proteção

3 Enumerando do particular ao geral, os seis níveis de organização do corpo humano são: o nível químico (estudo dos átomos e das

moléculas); o nível celular; o nível tecidual (estudo dos tecidos); o nível dos órgãos; o nível dos sistemas e por fim, o nível dos organismos que é também o nível do ser humano [3]. 4 Terminologia utilizada frequentemente quando se pretende referir o conjunto dos sistemas esquelético, articular e muscular, dos quais

a osteologia e a artrologia pertencem à categoria da anatomia humana passiva e a miologia pertence à categoria da anatomia humana ativa.


11

dos órgãos internos (evita que se lesionem); a homeostasia mineral (armazena e liberta minerais de forma a

regular as necessidades corporais); a produção de células do sangue (através da medula óssea vermelha) e

por último, o armazenamento triglicerídeos (que são uma reserva de energia química potencial, através da

medula óssea amarela) [5].

Embora os ossos sejam elementos passivos do movimento, pela ação dos músculos desempenham o

papel de alavancas ativas e úteis para toda a movimentação voluntária do corpo. [1]. Segundo a bibliografia da

área, o esqueleto humano adulto consiste em 206 ossos agrupados em dois conjuntos (Figura 2.2): 80 ossos

no esqueleto axial e 126 ossos no esqueleto apendicular.

Figura 2.2 - Esqueleto axial e esqueleto apendicular.

(Adaptado de: http://skeletalsystemdev.weebly.com/)

O esqueleto apendicular é composto pelos ossos dos membros superiores e inferiores e ainda por

grupos denominados de cinturas, que estabelecem a ligação entre os membros e o restante esqueleto (o

esqueleto axial). É no esqueleto apendicular que se localiza o objeto de estudo do presente capítulo, mais

concretamente na perna. Tal como indica a Figura 2.3., a tíbia (que é osso dominante) e o perónio encontram-

se separados, média e lateralmente, por um espaço interósseo, sem que haja movimento de um em torno do

outro.

Por sua vez, o pé divide-se em três grupos, o tarso com sete ossos tarsais (ossos do tornozelo), o

metatarso com cinco ossos metatarsais e por último os dedos, com catorze falanges (que compõe os dedos do

pé). Destes, os dois últimos grupos não serão estudados com igual pormenor, pois apenas interferem de forma

indireta no elemento de estudo do presente trabalho, o tornozelo.


12

Figura 2.3. Caraterização do sistema esquelético do membro inferior (com pormenor no tornozelo)

(Adaptado de: http://www.healthpages.org/anatomy-function/musculoskeletal-system-bones-joints-cartilage-ligaments/ e http://www.kidport.com/reflib/science/humanbody/skeletalsystem/Ankle.htm)

A tíbia é um osso longo, o maior osso da perna, e é composto por um corpo e duas extremidades (osso

par): na extremidade proximal possui as cavidades glenoidais5 interna e externa, e na extremidade distal possui

o maléolo tibial que estabelece contacto com o astrágalo, como está indicado na Figura 2.4. Este osso, por ser

o maior osso da perna, é também o que suporta o peso6 do corpo.

O perónio é composto de igual modo por um corpo e duas extremidades. Na sua extremidade superior

encontra-se a cabeça do perónio e na extremidade inferior o maléolo peroneal cuja superfície articula com o

astrágalo e a sua face medial possui uma superfície articular com a tíbia.

Figura 2.4 - Caraterização dos ossos da perna.

(Adaptado de: http://www.highlands.edu/academics/divisions/scipe/biology/faculty/harnden/2121/images/tibfib.jpg)

5 Uma cavidade glenoidal é toda a cavidade que permite a articulação de um osso noutro. Cada cavidade da tíbia articula com um côndilo

(saliência arredondada) da extremidade distal do fémur. 6 Esse peso, que é posteriormente transmitido ao astrágalo, distribui-se de igual forma entre o calcâneo e os ossos constituintes do arco

do pé [1].


13

No pé, mais precisamente entre os ossos do tarso, encontram-se o astrágalo que tem a forma de um

cubo (é o único osso do pé que se articula com a tíbia e com o perónio) e o calcâneo que suporta o astrágalo

e por ser o que se localiza num nível inferior é o que recebe o choque do calcanhar quando este embate contra

o solo, como se pode perceber no representação da Figura 2.5. Os restantes cinco ossos társicos (o cuboide,

o escafoide e os cuneiformes) têm como principal função aumentar a flexibilidade do pé.

Figura 2.5 - Identificação e localização relativa dos ossos do tarso.

(Adaptada de: http://teachmeanatomy.info/lower-limb/bones/bones-of-the-foot-tarsals-metatarsals-and-phalanges/)

Na sua generalidade os ossos podem ser agrupados em cinco categorias de acordo com a sua forma:

longo, curto, plano, irregular e sesamoide, em que as superfícies dos ossos de cada categoria possuem

caraterísticas específicas que lhes permitem adaptarem-se a determinadas funções. Contudo, quando se trata

de um osso que não pode ser incluído em nenhuma das classes acima apresentadas, este é então classificado

com base na sua localização estrutural [6].

No tornozelo, os ossos da perna são ossos longos, com extremidades grandes e arredondadas

(geometria mais indicada para suportar muito peso) e os ossos do pé pertencem à categoria dos ossos curtos,

concedendo uma maior flexibilidade à estrutura [5].

2.2.2. Sistema articular

As articulações são pontos ou superfícies de contato entre dois ou mais elementos, seja entre ossos,

cartilagens ou entre um osso e uma cartilagem, estabelecendo a ligação entre eles com recurso a elementos


14

indispensáveis, os ligamentos. Uma grande parte das articulações permitem flexibilidade e movimento, sendo

também responsáveis pela transferência e dissipação das forças produzidas pela ação das forças gravíticas e

pela ativação muscular [7].

Os ligamentos são elementos muito importantes na estrutura corporal, sendo constituídos

essencialmente por uniões de tecido conjuntivo7 que estabelecem a ligação entre dois ossos, ajudando a

estabilizar movimentos ósseos relativos. De um modo geral estes elementos são pouco elásticos, o que significa

que quando excessivamente solicitados podem ser facilmente danificados.

A denominação de um ligamento indica o nome dos ossos entre os quais está a ser estabelecida a

união. Quando existe mais do que um ligamento a interligar o mesmo par de ossos, no final da designação do

ligamento é indicada a sua localização, ou seja, se é referido um ligamento posterior, significa que existe o

anterior.

As articulações podem ser classificadas do ponto de vista estrutural (pelas caraterísticas anatómicas)

ou do ponto de vista funcional (com base no tipo de movimentos que permitem) [8]. O movimento das

articulações é determinado pela forma como os ossos articulam, pelas caraterísticas dos tecidos conjuntivos

que mantém ossos unidos e pela posição dos ligamentos, dos músculos e dos tendões [1].

A estrutura de uma articulação determina a relação entre força e flexibilidade que ela pode apresentar.

Deste modo, em condições extremas, existem articulações muito resistentes embora rígidas, e vice-versa. Em

geral, quanto menor for a folga existente do encaixe entre o ponto de contato dos respetivos constituintes, mais

resistente é a articulação, mas também mais restritos são os seus movimentos.

As articulações podem distinguir-se, quanto ao nível estrutural, pela presença ou ausência de uma

cavidade articular8 ou pelo tipo de tecido conjuntivo que garante a união dos ossos, sendo agrupadas em

articulações fibrosas (não existe cavidade articular e um tecido conjuntivo fibroso realiza a união entre os ossos),

cartilagíneas (sem cavidade articular e com união óssea através de uma cartilagem9) ou sinoviais (os ossos são

ligados por uma cavidade articular preenchida por líquido sinovial e ligamentos acessórios).

7 Um tecido conjuntivo é um grupo de tecidos orgânicos responsáveis pela união, nutrição, proteção e sustentação de outros tecidos.

8 Espaço que se encontra entre os ossos constituintes de uma articulação.

9 É um tecido muscular que reveste a superfície do osso evitando o contacto entre as superfícies ósseas, caraterizando-se pela sua matriz

extracelular (fibras proteicas, substância fundamental e líquido). Permite o amortecimento de cargas e facilita o deslizamento entre superfícies [14].


15

Na sua caracterização funcional, as articulações definem-se como sinartoses (articulações imóveis

reforçadas por uma combinação de tecidos conjuntivos fibrosos e cartilaginosos); anfiartroses (com pouca

mobilidade) e diartroses (articulações móveis, todas elas sinoviais) [5,7-9].

Entre a perna e o pé, os movimentos são possibilitados pela existência da articulação tibiotársica (Figura

2.6), vulgarmente conhecida como a articulação do tornozelo ou ainda articulação tíbio-perónio-calcaneana que

é composta pela tíbia, pelo perónio e pelo astrágalo e pode ser classificada como articulação sinovial

trocleartrose.

Figura 2.6 - Ilustração e localização da articulação tibiotársica e dos seus constituintes.

(Adaptada de: http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/Ankle-joint e http://www.twenga.com.br/esqueleto-de-anatomia.html)

Uma articulação sinovial é uma articulação contígua, móvel entre duas ou mais estruturas, tipicamente

presente na constituição dos membros. Embora todas as articulações sinoviais tenham uma estrutura

semelhante, as formas das superfícies articulares variam, permitindo diferentes tipos de movimentos que

podem ser categorizados em classes diferentes [5]. Uma articulação sinovial trocleartrose é uma articulação

mono axial, restringindo o seu movimento à rotação em torno de um único eixo, o que indicia a sua semelhança

com um elemento mecânico bastante conhecido, uma dobradiça [10].


16

Sendo uma articulação caraterizada pela união entre dois ou mais ossos, as superfícies de contato dos

mesmos possuem certas caraterísticas que garantem a resistência e longevidade da estrutura articular ainda

que sujeita a cargas cíclicas.

Do lado do pé encontra-se a tróclea astragaliana, na face superior do astrágalo e do lado da perna

encontra-se um conjunto formado pelas extremidades da tíbia e do perónio unidas pelos ligamentos anterior,

posterior e interósseo da articulação tíbio-peroneal inferior [11], como indica a Figura 2.7.

Figura 2.7 – Caraterização da articulação tibiotársica e dos seus ligamentos pela face lateral.

(Adaptada de: http://www.studyblue.com/notes/note/n/ankle--foot/deck/4314882)

O meio de união óssea da superfície articular é composto pela cápsula articular10 (contorno da tíbia e

do perónio na zona superior e do astrágalo na zona inferior) e pelos ligamentos laterais externo e interno. O

ligamento externo é composto por três feixes independentes: o perónio-astragaliano anterior (PAA), o perónio-

astragaliano posterior (PAP) e o médio ou perónio-calcaneano (PC). O ligamento interno é composto por duas

camadas: uma camada superficial que constitui o ligamento deltoide (chamado assim por se comparar a um

delta) e uma camada profunda que interliga a tíbia e o astrágalo [11].

Para além da articulação do tornozelo, existem ainda outras articulações [11] na sua periferia que

proporcionam ao tornozelo uma grande parte das suas caraterísticas funcionais que de outra forma não seriam

exequíveis, pois como já foi referido ela apenas permite movimentos em um só plano. No presente documento

10 A cápsula articular é composta por duas camadas histologicamente diferentes: a camada externa que é fibrosa, composta por um

tecido conjuntivo denso que apoia os ossos e o conteúdo da articulação e a camada interna que consiste numa membrana sinovial, que reveste todas as faces intracelulares e é responsável pela produção do fluido sinovial [4].


17

será feita apenas uma breve referência à existência e caraterísticas dessas articulações, evitando que o

conteúdo apresentado divirja do âmbito de aplicação do projeto.

Na zona superior da articulação tibiotársica (entre os elementos da perna), existe uma articulação entre

o perónio e a tíbia, denominada por articulação tíbio-peroneal inferior ou tíbio-peroneal distal, que não possui

cápsula articular e por isso utiliza como meio de união óssea três ligamentos: interósseo, anterior e posterior.

Ainda na zona superior existe uma membrana interóssea que estabelece a ligação medial entre o perónio e a

tíbia, denominada por sindesmose, que é um tipo de articulação fibrosa em que os ossos se encontram

fisicamente afastados e a união é garantida por ligamentos. Neste tipo de articulações é registado apenas um

ligeiro movimento devido à flexibilidade permitida pelos constituintes ligamentares.

Nas zonas inferior e anterior ao tornozelo existem várias articulações entre os ossos do pé, no entanto,

apenas as mais próximas afetam a capacidade funcional do tornozelo, ou seja, as que envolvem os ossos do

tarso. Entre o astrágalo e o calcâneo existe a articulação sub-astragaliana composta por duas articulações

protársicas: a astrágalo-calcaneana anterior e a astrágalo-calcaneana posterior, cujos meios de ligação

envolvem os ligamentos interósseo, interno, externo, anterior e posterior.

Das articulações mais próximas devem ser assinaladas do grupo metatarso a articulação astrágalo-

calcâneo-escafoideia que apresenta várias superfícies articulares e possui os seus próprios ligamentos (como

os ligamentos astrágalo-escafoideu superior e o calcâneo-escafoideu) e a articulação calcâneo-cuboideia cujos

ligamentos são o calcâneo-cuboideu superior e o calcâneo-cuboideu inferior, este último também conhecido

como grande ligamento da planta do pé. Estas duas articulações têm ainda a particularidade de terem um outro

ligamento em comum, o ligamento de Chopart, que se insere na face superior do calcâneo e sofre bifurcação

em dois feixes, um para o escafoide e outro para o cuboide.

A análise das articulações representa uma tarefa fundamental, pois permite entender onde se localizam

os principais elementos anatómicos e quais deles são capazes de desenvolverem movimentos relativos (de

acordo com os graus de liberdade que possuem) ou quais se encontram dinamicamente limitados por

elementos de estabilização passiva, os ligamentos.

2.2.3. Sistema muscular

O principal do esqueleto do corpo humano encontra-se coberto por músculos, que em geral são

responsáveis por 50% do peso do corpo. É o sistema muscular e os tecidos musculares que dão a forma ao

corpo e que executam funções como a realização de movimentos, a produção de calor de forma a regularizar

a temperatura corporal ou a estabilização estática e dinâmica do posicionamento do corpo humano [3].


18

Para desempenhar tarefas básicas do dia-a-dia, como por exemplo caminhar, é necessário que ocorra

uma interação entre o sistema nervoso, os músculos e os ossos que constituem o corpo humano. Para

compreender essa interação é necessário esclarecer que os músculos interagem com os ossos individualmente,

e que as articulações são acionadas pelos músculos em contração, no momento em que recebem o estímulo11

do sistema nervoso [8]. A partir dessa associação pode definir-se o sistema musculosquelético, que é um

sistema integrado composto pelo conjunto de todos os músculos (e respetivos tendões12), ossos (e cartilagens)

e articulações e que constitui o principal objeto de estudo de um dos ramos da ciência médica, a ortopedia.

Os tendões são cordões de tecido conjuntivo fibroso que unem os músculos aos respetivos ossos de

inserção. Estes permitem que os ossos se movam quando os músculos do esqueleto se contraem [8]. Assim,

a sequência funcional é iniciada pelos músculos esqueléticos13 que produzem os movimentos acionando os

tendões que por sua vez puxam os ossos. Todavia, uma grande parte dos movimentos ocorre não pelo

acionamento individual de um músculo mas de um conjunto de músculos, muitas vezes dispostos em pares

opostos (capacidade de realização de movimentos contrários) nas articulações, como por exemplo os flexores-

extensores [5].

Existe na literatura uma classificação que permite definir o tipo de músculo de acordo com a sua

estrutura/forma e o seu comportamento. Nos membros apenas existem músculos estriados esqueléticos que

são caraterizados por terem acionamento voluntário e possuírem pelo menos uma extremidade muscular presa

a um osso. Habitualmente é feita a caracterização desse tipo de músculos de acordo com as respetivas ações14

musculares [1, 7]:

Os músculos agonistas são os que se encontram diretamente relacionados com o início e execução

de um dado movimento;

Os músculos antagonistas são os que têm uma ação oposta aos músculos agonistas, ou seja,

quando um agonista se contrai o antagonista relaxa progressivamente, produzindo um movimento

suave, mantendo o equilíbrio muscular e a harmonia do movimento;

11 O sistema nervoso controla os movimentos da cabeça, pescoço, tronco e membros através de impulsos gerados no motor central do

cérebro. Tais impulsos iniciam-se pela intenção conscienciosa para se mover ou em resposta a um impulso sensorial dependendo dos recetores sensoriais na pele, nos músculos e nos tecidos conetivos [13]. O estímulo é enviada por um sinal elétrico (potencial de ação muscular) libertado pelo respetivo neurónio, chamado neurónio motor. Um único neurónio motor, juntamente com todas as fibras musculares que ele estimula, é denominado por unidade motora. A estimulação de um neurónio faz com que todas as fibras dessa unidade contraiam simultaneamente e quanto maior for a precisão do movimento mais fibras possui essa unidade [14].

12 Os tendões são os componentes dos músculos que os ligam aos ossos. Cada músculo possui dois tendões, um do lado proximal e

outro do lado distal [104].

13 Incluem o tecido muscular esquelético, tecido vascular (vasos sanguíneos e sangue), tecido nervoso (neurónios motores) e vários

tipos de tecidos conjuntivos. [5]

14 O mesmo músculo esquelético pode atuar de diferentes formas de acordo com o movimento em questão.


19

Os músculos sinergistas são os que apenas cooperam durante a execução de um dado movimento

auxiliando um dos anteriores a funcionar mais eficazmente;

Os músculos fixadores mantêm estáveis as partes proximais de um membro enquanto os

movimentos ocorrem nas partes distais.

A designação dos músculos é complementada por termos que referem algumas das suas caraterísticas

quer funcionais, quer estruturais, como é o caso dos termos: flexor (que indica uma ação desempenhada pelo

músculo), longo (com referência ao seu tamanho) ou anterior (designando a sua direção de acordo com os

planos sagitais).

Ao analisar os músculos existentes no membro inferior constata-se que na face anterior medial da

perna, onde se encontra a tíbia, não existe nenhum músculo e o osso é coberto diretamente pelo tegumento.

A restante musculatura da perna pode ser dividida em três grupos musculares: o anterior, o lateral e o posterior,

na Figura 2.8 encontram-se representados os músculos que atuam sobre a perna, o tornozelo e o pé, de acordo

com as três vistas referidas. Não será feita referência aos músculos que movem os dedos dos pés e que não

têm qualquer contribuição no desempenho funcional do tornozelo.

Figura 2.8 - Músculos da perna que atuam sobre a perna, o tornozelo e o pé.

(Adaptada de: http://www.proprofs.com/flashcards/story.php?title=muscle-flashcards_3 e de http://people.fmarion.edu/tbarbeau/205supplements_muscular.htm)

No compartimento anterior encontram-se os músculos extensores cujas origens de inserção são a tíbia,

o perónio ou a membrana interóssea, no compartimento lateral estão presentes os músculos externos que se

encontram inseridos no perónio e no compartimento posterior alguns músculos possuem origens de inserção


20

comuns com os músculos do compartimento anterior, existindo ainda alguns deles que se encontram inseridos

no fémur, como o músculo plantar delgado. No último compartimento são apresentadas duas vistas, das quais

na vista superficial se encontram representados os gémeos e o solhar que formam a barriga da perna, e que

em conjunto com o plantar delgado formam um tendão comum, o tendão de Aquiles [5].

2.3. Cinesiologia da articulação

A cinesiologia ou cinemática de uma articulação é a área que se dedica ao estudo do movimento de

um corpo, independentemente das características do seu elemento acionador, por outro lado, se for conhecido

o mecanismo de ação coordenada de todos os músculos e ossos que permite que o corpo humano se mova

de um lado para o outro, seja a caminhar, a correr ou em qualquer outra atividade comum da rotina diária de

uma pessoa saudável, torna-se mais simples analisar os movimentos mais complexos recorrendo à sua

desmultiplicação em movimentos mais simples.

Esta área de estudos pode ser utilizada para prepósitos muito distintos, como é o exemplo do estudo

dos movimentos por parte dos atletas para melhorar a sua performance e o estudo dos movimentos com o

objetivo de perceber os principais mecanismos de lesão, quer para o seu diagnóstico, quer para diferentes

métodos de tratamento [12].

Existe uma vertente da cinesiologia que se dedica ao estudo do movimento dos ossos em relação aos

três planos principais do corpo: o plano sagital ou medial que divide o corpo em parte esquerda e direita, o

plano frontal ou coronal que divide o corpo em anterior e posterior e o plano transverso ou horizontal que divide

o corpo em superior e inferior, quando o indivíduo se encontra na posição anatómica tal como na Figura 2.9

[7,13].


21

Figura 2.9 - Planos principais de movimento no corpo humano

Adaptado de: http://fog.ccsf.cc.ca.us/~tkobayas/physiokines/08cSkel.shtml

A cinesiologia é o estudo de movimentos da perspetiva de três ciências físicas distintas: anatomia

musculosquelética, a fisiologia neuromuscular e a biomecânica. Na gíria é comum confundir-se a terminologia

de cinesiologia e biomecânica, no entanto, estas tecnologias abordam temáticas distintas, em que a cinesiologia

é a ciência que estuda o movimento e as estruturas ativas e passivas envolvidas e a biomecânica estuda a ação

das forças internas e externas no comportamento corporal. Neste contexto, a ciência abordada será a

cinesiologia, pois é o seu âmbito que tem relevância no presente trabalho. Enquanto a biomecânica estuda as

forças que têm efeito no movimento a cinesiologia estuda o movimento em si, que é o que permitirá

compreender de forma mais simplificada quais os principais requisitos no projeto que contempla o presente

trabalho [13]. Na presente abordagem não será feito o estudo cinético das forças que exercem sobre os

segmentos em estudo, visto que para além de não estar contemplado no objetivo principal do projeto, exigiria

que fosse dispensado um período significativo de horas de trabalho para esse efeito.

A artrologia, o estudo da classificação, estrutura e função das articulações é uma importante base para

o estudo geral da cinesiologia visto que o envelhecimento, a imobilização prolongada, os traumas e as doenças

afetam a estrutura e a função das articulações, influenciando qualitativa e quantitativamente o seu desempenho.


22

Tal como já foi referido na caraterização do sistema articular, os movimentos possíveis numa dada

articulação relacionam-se com a sua estrutura, em que algumas articulações se limitam apenas a um tipo de

movimento e outras podem mover-se em várias direções. Como os graus de liberdade de uma articulação se

definem pelo número de movimentos permitidos por essa articulação, ou seja, o número de planos principais

em que se movimenta15, pode dizer-se que a articulação do tornozelo possui apenas um grau de liberdade, pois

apenas possibilita a movimentação do pé relativamente à perna no plano sagital.

Contudo, é facilmente percetível de forma visual, que há uma enorme variedade de movimentos

desempenhados pelo pé relativamente ao resto do corpo. Tais movimentos representam a associação de dois

ou mais movimentos simples que se desenvolvem por outras articulações como a do quadril, a do joelho ou

pelas articulações existentes entre os ossos do tarso. Esta cooperação permite a reprodução de movimentos

mais complexos, tornando a biomecânica do tornozelo mais interessante e dotando-o de caraterísticas

funcionais que possibilitam o desempenho de funções essenciais como a locomoção.

Os anatomistas e fisioterapeutas utilizam uma terminologia própria para designar os tipos de

movimentos específicos que podem ocorrer numa diartrose (articulação móvel), de acordo com a forma de

movimentação, a direção do movimento ou a relação entre duas partes do corpo. Os tipos de movimentos

podem ser agrupados em quatro categorias: movimentos de deslizamento (movimento relativo entre superfícies

ósseas); movimentos angulares (variação do ângulo entre os ossos que se articulam); movimentos circulares

(em que o osso gira em torno do seu próprio eixo longitudinal) e movimentos especiais que ocorrem somente

nessas articulações [5,14].

No movimento angular, a movimentação de uma articulação pode ser considerada a partir de duas

perspetivas: o segmento distal pode rodar de encontro a um segmento proximal fixo relativamente a ele

(movimento distal-proximal), ou um segmento proximal pode rodar de encontro a um segmento distal fixo

relativamente a ele (movimento proximal-distal).

Os membros inferiores realizam com facilidade tanto movimentos proximais-distais, como movimentos

distais-proximais, como é refletido nas duas fases primárias da marcha16, a fase de apoio (em que o pé está em

contacto com o chão) a fase de balanço (em que o pé não estabelece contacto com o chão – quando está dar

um novo passo), como se encontra ilustrado na Figura 2.10.

15 Em geral, no estudo da biomecânica, um grau de liberdade significa que permite rotação num plano, o que não é verdade do ponto de

vista da engenharia em que um grau de liberdade pode referir-se a um movimento de translação ou a um movimento de rotação (sem que estejam associados). 16 O ciclo de marcha (que se encontra representado na Figura 2.10) descreve o comportamento das articulações dos membros inferiores

e dos respetivos segmentos entre o ponto de contacto inicial de um pé com o chão ao ponto que o mesmo pé volta a estabelecer contacto com o chão, caracterizando duas fases distintas, a fase de apoio e a fase de balanço.


23

Figura 2.10 - Movimento relativo dos segmentos (ossos) durante a caminhada.

(Adaptada de: http://www.muscleandjoint.ca/knee-pain/orthotics-they)

De acordo com a análise comportamental dos segmentos durante a caminhada pode constatar-se que

quando a perna se encontra estendida, fletida ou numa posição intermédia, os movimentos desenvolvidos nas

articulações do quadril e joelho têm influências distintas no desempenho funcional do tornozelo. Deste modo,

pode concluir-se também que a biomecânica do pé e do tornozelo se encontram complexa e intrinsecamente

associadas entre si, visto que o pé é o elemento mecânico integral da extremidade inferior para o qual o

tornozelo transfere toda a carga que recebe dos componentes superiores, influenciando de certa forma a

orientação do pé relativamente ao chão. Para além de atuar como uma plataforma de suporte estrutural capaz

de suportar as cargas repetitivas de múltiplos pesos do corpo, a estrutura pé-tornozelo deve ser também capaz

de se ajustar a terrenos com diferentes rugosidades superficiais e a diferentes velocidades de locomoção.

Nos subcapítulos seguintes serão apresentados os diferentes movimentos que afetam a estrutura

musculosquelética do tornozelo, e que por consequência têm repercussões no seu desempenho funcional. Para

isso torna-se importante clarificar o conceito de eixos geométricos, que são linhas imaginárias que representam

o referencial cartesiano tridimensional no corpo humano e que, quando conjugados em pares permitem a

definição de planos. É comum referir-se que existem três eixos dos três planos principais que fragmentam o

corpo humano que são perpendiculares entre si em três coordenadas espaciais: eixo longitudinal ou vertical

(ZZ), eixo transversal ou medio-lateral (YY) e eixo sagital ou ântero-posterior (XX) [6] [1].

2.3.1. Movimento de rotação

Os movimentos circulares consistem na rotação de uma estrutura em torno de um eixo, dos quais a

rotação, quer medial como lateral, se refere ao movimento em torno do seu próprio eixo mais longo.


24

O pé não tem capacidade de rodar individualmente (como demonstra a Figura 2.11) e por isso quando

existe rotação lateral ou rotação medial do pé, significa que o que está em rotação é uma estrutura mais

complexa que pode ser composta apenas pela perna e pelo pé (dando-se a rotação na articulação do joelho)

ou pela coxa, perna e pé, indicando a origem do movimento na articulação do quadril.

Quando a perna se encontra em extensão total, os movimentos de rotação medial e lateral são

realizados em torno de um eixo vertical que passa pela porção central da cabeça femoral. Já o movimento de

rotação da articulação do joelho é produzido em torno de um eixo vertical que passa pela espinha da tíbia,

sendo nulo em extensão e máximo na semi-flexão, limitado pela ação dos ligamentos laterais e cruzados17 [11].

Figura 2.11 - Ilustração dos movimentos de rotação num plano paralelo ao plano transverso representado.

(Adaptado de: http://www.acefitness.org/blog/2863/explaining-the-planes-of-motion e http://www.hipkneespecialist.co.uk/foot-ankle-examination-gp-education.html)

Tal como foi supramencionado, o movimento de rotação no joelho é apenas possível quando este se

encontra fletido (pois quando está em extensão os ligamentos colaterais encontram-se sob tensão garantindo

a unificação entre a coxa e a perna) alcançando uma amplitude angular de 30° para a rotação medial e de

10° para a rotação lateral, enquanto que quando a perna se encontra em extensão os valores normais

assumidos clinicamente rondam os 45°, quer para a rotação lateral como medial [15]. Na Figura 2.12

encontram-se representados os movimentos de rotação e as respetivas amplitudes.

17 Motivo pelo qual ele é incluído no presente dispositivo pois já estava integrado no PKTD, tal como refere no subcapítulo 3.2.2.


25

Figura 2.12 - Movimento de rotação medial e lateral no tornozelo.

(Adaptado de: http://www.mikestopforth.com/2013/06/12/putting-your-worst-foot-forward/)

2.3.2. Movimentos de flexão e extensão

Nos movimentos angulares existe um aumento ou uma diminuição do ângulo entre duas partes de uma

estrutura linear. São também movimentos angulares os que implicam o movimento de uma haste sólida (como

um membro) relativamente ao corpo, quando esta se encontra ligada a ele numa das extremidades. Um dos

movimentos angulares mais comuns são a flexão e a extensão.

De acordo com a bibliografia, existem diferentes formas de definir os movimentos de flexão e extensão,

adotando cada autor uma particularidade que o diferencia dos restantes. Definindo literalmente estes

movimentos pode admitir-se que a flexão e a extensão significam dobrar e esticar um segmento relativamente

a outro através de um eixo de rotação. No entanto a definição que se encontra presente com maior frequência

descreve como flexão o movimento de uma parte do corpo numa direção anterior ou ventral e a extensão como

o movimento de uma parte do corpo na direção posterior ou dorsal [14].

Esta definição pode ser aplicada para todas as articulações que desenvolvem um movimento no plano

sagital, à exceção da articulação do joelho, para a qual a flexão representa um movimento na direção posterior

e a extensão um movimento na direção anterior.

É unicamente no plano sagital (como indica a Figura 2.13) que a articulação tibiotársica possui

liberdade para se mover: quando o movimento dos pés se desenvolve para o lado superior, como como andar

apenas sobre os calcanhares, diz-se que estão em flexão (frequentemente definido por dorsiflexão ou flexão

dorsal) e quando os pés se movem na direção inferior, como o movimento que leva à posição de bicos de pés,

diz-se que estão em extensão (conhecido também por flexão plantar).


26

Figura 2.13 - Ilustração dos movimentos de flexão e extensão num plano paralelo ao plano sagital representado.


Tendo em conta que os movimentos em análise são desempenhados pela principal articulação em

estudo, a articulação do tornozelo, e considerando a caraterização anatómica realizada no subcapítulo anterior,

encontram-se representados na Tabela 2.1 os músculos da perna que, atuando em conjunto são responsáveis

pelo acionamento dos movimentos de flexão e extensão do pé.

Tabela 2.1 - Músculos da perna que estão envolvidos nos movimentos de flexão e extensão [14].

Músculo Flexão Extensão Compartimento anterior Tibial anterior X Extensor comum dos dedos X Extensor próprio do dedo grande X Peronial anterior X Compartimento lateral Longo peroneal lateral X Curto peroneal lateral X Compartimento posterior Plantar delgado X Gémeos X Poplíteo X Solhar X Tibial posterior X Longo flexor do grande dedo X Flexor comum dos dedos X

O movimento de flexão é limitado pela tensão exercida pelos feixes posteriores dos ligamentos laterais

externo e interno e o movimento de extensão é limitado pela tensão exercida pelos feixes anteriores dos mesmos

ligamentos [11].


27

O eixo transversal (YY) da articulação estende-se desde o maléolo tibial ao maléolo peronial e o

movimento angular produzido possui uma amplitude de aproximadamente 30° para a flexão do pé e de 50°

para a extensão do pé, tal como indica a Figura 2.14 [15].

Figura 2.14 - Movimento de rotação extensão e flexão do tornozelo.


Existem autores como Margareta Nordin & Victor Frankel (2001) e Donald Neumann (2002) que

defendem que as articulações tibiotársica e tíbio-peroneal inferior cooperam entre si para a execução dos

movimentos de flexão e de extensão. Deste modo, no movimento de flexão existe também uma translação

posterior do astrágalo no encaixe da articulação tibiotársica e uma translação superior do perónio na tíbia na

articulação tíbio-peroneal inferior [16] [7]. Nesse sentido, os principais fatores que limitam o movimento de

flexão são a geometria do encaixe da articulação tibiotársica e a tensão exercida pelo tendão de Aquiles.

A mesma abordagem refere que na extensão existe uma translação anterior do astrágalo no encaixe da

articulação tibiotársica, em que os principais fatores que limitam o movimento de extensão são a existência do

calcâneo e a tensão por ele exercida no componente anterior, o astrágalo.

2.3.3. Movimentos de eversão e inversão

A inversão consiste em virar o tornozelo de modo que a superfície plantar do pé se vire para dentro

(para o lado medial) e a eversão é o movimento de virar o tornozelo de modo que a superfície plantar se vire

para o lado lateral. É no plano frontal que ocorrem estes movimentos, como se encontra representado na Figura

2.15.


28

Figura 2.15 - Ilustração dos movimentos de eversão e inversão num plano paralelo ao plano frontal representado.


Tal como no movimento de flexão e extensão, tendo em conta a influência que os presentes movimentos

têm sobre a estrutura articular do tornozelo, mais concretamente sobre os seus ligamentos laterais, é

apresentado na Tabela 2.2 o conjunto de músculos da perna responsável pelo desempenho dos movimentos

de eversão e inversão.

Tabela 2.2 - Músculos da perna que estão envolvidos nos movimentos de eversão e inversão [14].

Músculo Eversão Inversão Compartimento anterior Tibial anterior X Extensor comum dos dedos X Extensor próprio do dedo grande

X

Peronial anterior X Compartimento lateral Longo peroneal lateral X Curto peroneal lateral X Compartimento posterior Tibial posterior X Longo flexor do grande dedo X Flexor comum dos dedos X

O eixo sobre o qual se executam os presentes movimentos tem origem medial e superior ao colo ao

astrágalo e sai lateral e posteriormente ao calcâneo, sendo classificado como um eixo simplificado sagital (XX)

caraterístico da articulação astrágalo-calcâneo-escafoideia (ver Figura 2.16). O movimento de eversão regista

habitualmente um valor máximo de 20°, enquanto o movimento de inversão alcança os 35° [15].


29

Figura 2.16 – Movimento de eversão e inversão no tornozelo.


A disposição geométrica da superfície de contacto interóssea delimita de forma distinta um mesmo

movimento realizado em sentidos diferentes, como por exemplo a amplitude do movimento de inversão é maior

do que a do movimento de eversão porque o maléolo lateral é mais alongado do que o maléolo medial [17].

2.3.4. Movimentos de abdução e adução

Este movimento é realizado pela articulação de Lisfranc que une os cinco ossos metatársicos aos três

ossos cuneiformes e ao cuboide, o que significa que o desempenho dos movimentos de adução e abdução não

afetam significativamente a articulação do tornozelo (ver a Figura 2.17), ou seja, não são limitados por nenhum

constituinte anatómico da estrutura do tornozelo e por isso a sua descrição será sucinta [11].

Figura 2.17 - Ilustração dos movimentos de abdução e adução num plano paralelo ao plano transverso representado.



30

A abdução (que significa retirar) e a adução (reunir) são movimentos de lateralidade, o que indica que

são movimentos que se desenvolvem no plano transverso e, enquanto a abdução representa o movimento de

um membro na direção oposta ao plano mediano do corpo, a adução representa o movimento de um membro

na direção do plano mediano.

2.3.5. Movimentos de supinação e pronação

A articulação medio társica ou de Chopart, bem como a articulação astrágalo-calcaneana e a articulação

astrágalo-calcâneo-escafoideia, dão origem a movimentos de elevação da margem medial e lateral do pé,

denominados por movimentos de supinação e pronação respetivamente. Estes movimentos são executados

segundo um eixo oblíquo, dirigido para trás, para fora e para baixo e que se estende desde o colo do astrágalo,

até à tuberosidade externa do calcâneo. [11].

A supinação e a pronação são termos frequentemente utilizados para descrever o posicionamento da

superfície plantar do pé, em que durante a supinação o solo enfrenta a planta do pé do lado medial enquanto

na pronação enfrenta do lado lateral. Assim, a supinação representa a junção dos movimentos de extensão no

plano sagital, de adução no plano transverso e de inversão no plano frontal, de modo que planta do pé olhe

para dentro, para baixo e para trás, enquanto a pronação que é a junção dos movimentos de flexão, abdução

e eversão (respetivamente nos mesmos planos) move a planta do pé para fora, para baixo e para trás, ambos

apresentados na Figura 2.18.

Figura 2.18 - Ilustração dos movimentos de supinação e pronação nos três planos.


Estes movimentos, por se desenvolverem em três planos possuem um eixo de rotação oblíquo e

ocorrem primariamente na articulação astrágalo-calcaneana. Os valores assumidos com maior frequência para

a amplitude normal dos movimentos de supinação e pronação são de 60° e 30°, respetivamente.


31

Dada a complexidade da conjugação simultânea dos eixos de rotação dos respetivos movimentos,

tornou-se pouco interessante a sua abordagem ao longo do trabalho por motivos que serão apresentados no

Capítulo 4 aquando da definição dos requisitos e necessidades do projeto.

2.3.6. Movimentos de translação anterior e posterior

Os movimentos de deslizamento constituem os mais simples de todos os tipos de movimento (Figura

2.19). Estes ocorrem em articulações planas entre duas superfícies achatadas ou quase achatadas que

escorregam ou deslizam uma sobre a outra. Sendo a articulação do tornozelo uma articulação sinovial, importa

referir que todas as articulações sinoviais do corpo realizam translação em pelo menos um plano que pode ser

provocada ativamente pelo músculo ou passivamente pela lassidão natural da estrutura articular.

As translações passivas que ocorrem na maioria das articulações são denominadas por movimentos

acessórios. Em muitas articulações, a quantidade de translação é clinicamente utilizada para testar a sua

estabilidade. A translação excessiva de um osso em relação à articulação pode indicar a presença de danos

em ligamentos ou lassidão normal, por outro lado, a translação reduzida pode significar rigidez patológica. A

translação anormal afeta a qualidade dos movimentos, podendo provocar microtraumas e a sua presença pode

indicar a existência de instabilidade articular que é uma lesão crónica que será referida no Capítulo 3 [7]. O

valor máximo registado para a translação num tornozelo sem lesão é de aproximadamente 8 mm [18].

Figura 2.19 - Movimentos de translação no tornozelo.



32

Projeto de um dispositivo médico para apoio ao diagnóstico de patologias no tornozelo Capítulo 3. Patologias, métodos e meios

33

CAPÍTULO 3. PATOLOGIAS, MÉTODOS E MEIOS

Este capítulo tem como principal objetivo a referência das principais patologias associadas ao tornozelo,

ou associadas a outra estrutura próxima mas que podem ser diagnosticadas com a execução de alguns dos

movimentos apresentados no capítulo anterior. Serão ainda apresentados os principais métodos e meios de

diagnósticos utilizados atualmente de forma a clarificar a necessidade de realização do presente projeto.


34


35

3.1. Lesões que afetam a articulação do tornozelo

O termo lesão é habitualmente utilizado quando se pretende descrever o estado anormal de um

constituinte do corpo humano que tenha sido danificado por consequência de uma doença, como por exemplo

de um impacto violento [19] ou de um movimento repetitivo. Uma lesão pode ser classificada por crónica ou

aguda 18, como indica a Figura 3.1.

Figura 3.1 - Representação esquemática do mecanismo de lesão no tornozelo.

A lesão crónica é, de um modo geral, justificada pelo uso cíclico excessivo de um determinado elemento

do corpo e reflete uma acumulação de danos menos graves não reparados. Uma caraterística deste tipo de

lesão é o seu processo evolutivo lento tornando-a permanente no dia-a-dia do doente e com duração por tempo

indeterminado. Quando existe referência a uma lesão aguda significa que esta teve um início súbito, um

desenvolvimento caracteristicamente rápido e um elevado nível de gravidade, podendo ter um tratamento eficaz

num curto espaço de tempo.

Como foi referido no Capítulo 2, a articulação do tornozelo é uma diartrose, ou seja, permite a realização

repetitiva de movimentos que por vezes podem alcançar amplitudes excessivas. Com esse efeito pode danificar

quer os seus constituintes como os restantes elementos que se encontram na sua periferia, como os músculos,

os tendões, os nervos e os ligamentos [5].

18 No presente documento serão primeiramente abordadas as lesões agudas mais recorrentes na articulação do tornozelo, podendo em

sua função, ser feita referência a determinadas lesões crónicas que surgem no seguimento das mesmas.


36

A dor no tornozelo é uma condição bastante comum. As lesões frequentemente associadas a essa zona

do corpo variam desde a osteoartrite até à tensão ligamentar, da fratura à neuropatia (doença que afeta o

sistema nervoso) ou ainda de anormalidades induzidas mecanicamente ou por efeito postural.

Os dois principais tipos de lesão no tornozelo, que são a entorse e a fratura, recorrem de um mecanismo

de lesão direto19. A entorse, por apresentar significativamente maior incidência, especialmente na prática

desportiva [20-28] e por ser a principal responsável pelo afastamento de atletas durante a época de competição

[17,26], será a que receberá maior relevância durante o presente capítulo.

Existem diversas fontes com registo universal que relatam a entorse na articulação do tornozelo como

uma das principais lesões articulares, representando 7% a 10% da totalidade de casos admitidos nos serviços

urgência [29] e 15-25% de todas as lesões do sistema musculosquelético têm referência a esta articulação

[30]. Estima-se também que aproximadamente 10.000 pessoas apresentam diariamente o registo de tal

patologia [31-33], dos quais a grande maioria se encontra associada à prática desportiva20 de pessoas com

menos de 35 anos de idade [34-36,46].

Entre todas as possíveis lesões do tornozelo, mais de 50% envolvem algum grau de rutura dos

ligamentos laterais dessa articulação [37]. Os ligamentos, por serem estruturas articulares resistentes e pouco

elásticas são os elementos estabilizadores que limitam a amplitude dos movimentos de translação anterior e

posterior, da angulação varo e valgo e da rotação medial e lateral. O tipo de rutura ligamentar depende da

direção, da velocidade e da força a que o ligamento é exposto [38].

Nos capítulos seguintes será feita uma breve referência às principais lesões quer na articulação do

tornozelo (a entorse lateral e a entorse medial), como em outras que lhe estão próximas. Deste modo será

contextualizada a necessidade de execução de determinados movimentos por parte do dispositivo a que diz

respeito o presente projeto.

3.1.1. Entorse lateral

Existem diversos estudos que afirmam que a entorse lateral é a lesão mais frequente na articulação

tibiotársica, representando aproximadamente 85-95% de todos os mecanismos de entorse associados a esta

19 A lesão que decorre por mecanismo direto diz respeito à ação direta de um objeto externo sobre o tornozelo provocando uma colisão

objeto ou pelo incorreto posicionamento do pé quando estabelece contato com o solo ou com outra superfície de apoio. 20 O basquetebol, que é o desporto que regista um maior número de lesões nos Estados Unidos indica o tornozelo como o segmento

mais propício a ser danificado, sendo a maioria referente à entorse por inversão seja por uma distensão ou pela rutura do ligamento com ou sem avulsão óssea.


37

articulação [25,39-43]. Esta lesão é gerada por um movimento de inversão brusco do pé que leva à solicitação

excessiva dos ligamentos laterais da articulação do tornozelo, tal como demonstra a Figura 3.2.

Figura 3.2 - Entorse lateral pelo movimento de inversão.

(Adaptado de: http://osteopatiafrancelo.blogspot.pt/2013/05/entorses-de-pe-e-tornozelo.html.)

A constituição da estrutura ligamentar lateral da articulação tibiotársica contempla o ligamento externo.

Este é composto pelos ligamentos perónio-astragaliano anterior e perónio-astragaliano posterior e ainda pelo

ligamento perónio-calcaneano. A função do ligamento perónio-astragaliano anterior e do ligamento perónio-

astragaliano posterior é a contenção do deslocamento anterior e posterior do astrágalo em relação ao perónio

e à tíbia. Por sua vez, o ligamento perónio-calcaneano limita o movimento de inversão do calcâneo relativamente

ao perónio [45,46].

A posição natural de repouso do pé é quando este se encontra com ligeira extensão, de

aproximadamente 10°, e com o ligamento perónio-astragaliano anterior orientado paralelamente à superfície

plantar do pé. No entanto, com o aumento do ângulo de extensão a ação do mecanismo de estabilização

exercido pela estrutura óssea é diminuída, pois reduz a superfície de contacto entre o astrágalo e a tíbia,

proporcionando a ocorrência de uma entorse21 por inversão do pé [25,40,42,46]. Durante este processo, o

ligamento perónio-astragaliano anterior posiciona-se num direção paralelamente à perna o que torna mais

propícia a sua rutura22 isolada, visto que é o componente que se encontra sujeito a maiores esforços de torsão

[40,47].

21 Uma entorse é uma lesão ligamentar aguda decorrente da inclinação ou a torção forçada de uma articulação esticando os seus

ligamentos até ao limite, podendo levar ao rompimento dos mesmos sem que haja deslocamento ósseo ou fratura. Esta lesão pode danificar também os vasos sanguíneos, os músculos, os tendões ou os nervos circundantes. Quando ocorre uma entorse existe um inchamento nessa zona, que resulta da hemorragia dos vasos sanguíneos rompidos [5].

22 A rutura ou distensão extrema de ligamentos ou cápsulas articulares provoca uma reação inflamatória aguda, conhecida como lesão aguda. A articulação pode tornar-se estruturalmente instável quando os tecidos conjuntivos não são capazes de restringir os extremos naturais do movimento. Deste modo, as articulações mais frequentemente afetadas pela instabilidade traumática são as que são expostas a binários externos de maior intensidade, ou seja as articulações tibiofemoral e tibiotársica estão frequentemente sujeitas a danos nos ligamentos que resultam em instabilidade.


38

Por sua vez, o ligamento perónio-calcaneano apenas é afetado quando a lesão do ligamento perónio-

astragaliano anterior progride ao longo da face externa do tornozelo, tornando a lesão individual deste ligamento

pouco frequente. As lesões no ligamento perónio-astragaliano posterior decorrem sob os mesmos princípios,

sendo o registo da rutura isolada desse ligamento extremamente raro e apenas quando se executa o movimento

de flexão do pé. Este ligamento pode também ser afetado no seguimento da rutura sequencial do ligamento

perónio-astragaliano anterior e do ligamento perónio-calcaneano23 indicados na Figura 3.3 [34,38,40,42,48-50].

Figura 3.3 - Ligamentos sujeitos a rutura durante a entorse lateral.

(Adaptado de: http://osteopatiafrancelo.blogspot.pt/2013/05/entorses-de-pe-e-tornozelo.html)

Instabilidade articular na articulação tibiotársica

É comum o registo de problemas que se tornam permanentemente presentes depois de uma lesão

ligamentar no tornozelo, visto que mesmo depois de um tratamento conservador ou cirúrgico aproximadamente

entre 30% a 70% dos pacientes apresentam sintomas crónicos. A maioria deles associada à instabilidade

articular do tornozelo, o que leva à diminuição da funcionalidade e por vezes até mesmo à incapacidade de

voltar a desempenhar algum tipo de atividade desportiva [47,51-60].

Neste contexto pode afirmar-se que a instabilidade do tornozelo é o principal fenómeno de caráter

subjetivo frequentemente desenvolvido após uma entorse por inversão. A tendência que o tornozelo tem para

se movimentar durante a atividade diária normal, tornando-o mais frágil, mais doloroso e menos funcional pode

levar ao desenvolvimento dessa patologia [53,61,62].

Não obstante aos valores que indicam a sua presença frequente, torna-se importante salientar que a

estabilidade do tornozelo é condição indispensável para o desempenho funcional dessa estrutura, permitindo

tanto a locomoção como a prática de atividades desportivas mais exigentes. A estabilidade caraterística de cada

23 Brostrom verificou que a rutura total e individual do ligamento perónio-astragaliano anterior representa 65% de todas as entorses do

tornozelo, enquanto uma rutura desse ligamento precedida da rutura do ligamento perónio-calcaneano representa aproximadamente 20% dos casos clínicos.


39

tornozelo varia entre cada corpo humano, sendo as condições individuais absolutamente irreprodutíveis,

tornando uns mais suscetíveis à entorse do que outros.

Os principais fatores que afetam a estabilidade do tornozelo são: a configuração óssea, como é o caso

da forma do domo do astrágalo; a tensão dos ligamentos ou de outros tecidos conectivos (em que o ligamento

deltoide previne a tensão em valgo, os ligamentos colaterais24 laterais previnem a tensão em varo, e o ligamento

tíbio-peronial inferior anterior que tem como função manter dois ossos unidos) e ainda a disposição dos

músculos como por exemplo o longo peronial lateral e o tibial posterior [7,16].

Existem dois tipos de instabilidade do tornozelo: a mecânica e a funcional. A instabilidade mecânica

refere-se à incapacidade de estabilização ou à híper-mobilidade que induz o movimento numa amplitude acima

do seu limite fisiológico. Por sua vez, a instabilidade funcional diz respeito a uma estrutura ligamentar sob

condições normais mas cuja função é anormal, provocando recorrentemente episódios de falseio25. É registada

com frequência a ocorrência simultânea dos dois tipos de instabilidade [63-67].

Quando existem sintomas caraterísticos da instabilidade lateral deve ter-se em atenção que também

pode existir instabilidade da articulação astrágalo-calcaneana, não só pela proximidade física a esta (cujos

sintomas podem ser confundidos) mas também porque a entorse lateral pode ter atingido determinado nível

de gravidade que levou à sua propagação além da estrutura articular. Nesse sentido, deve ser incluída no estudo

a articulação astrágalo-calcaneana e por esse motivo será feita uma breve referência a esta lesão.

3.1.2. Instabilidade astrágalo-calcaneana

A função principal da articulação astrágalo-calcaneana é permitir que o pé se acomode ao solo durante

a marcha em superfícies irregulares. Entre todas as estruturas articulares abaixo do tornozelo as articulações

que compõe a estrutura sub-astragaliana, a astrágalo-calcaneana e a astrágalo-calcaneana-escafoideia, são as

que possuem os elementos com funções indispensáveis para a estabilização astrágalo-calcaneana, mais

concretamente os ligamentos perónio-calcaneano, o astrágalo-calcaneano lateral e o interósseo [68].

As lesões isoladas destes ligamentos são difíceis de definir e de identificar, ocorrendo com mais

frequência aquando das lesões dos ligamentos laterais do tornozelo. Para diagnosticar a lesão do ligamento

astrágalo-calcaneano pode ser realizado um exame físico pela face lateral da articulação, no entanto existe

24 Ligamentos colaterais laterais é a terminologia aplicada ao conjunto do ligamento perónio-astragaliano anterior que previne o excesso

de tensão na direção ao movimento de extensão com inversão do pé, do ligamento perónio-calcaneano que previne o excesso de tensão na direção ao movimento de inversão pura e ainda do ligamento perónio-astragaliano posterior. 25 Descontinuidade abrupta na direção de execução de um movimento, conferindo um aspeto de flutuação ao mesmo.


40

sempre a incerteza dos sintomas estarem associados a outra articulação devido à sua proximidade espacial26.

Desta forma, torna a avaliação clínica da instabilidade da articulação astrágalo-calcaneana é difícil e pouco

precisa o que exige a utilização de exames imagiológicos, idealmente sob esforço [69].

Num estudo em que Meyer et al. avaliaram quarenta pacientes com lesões agudas no tornozelo,

constataram que, apesar de aproximadamente 43% ter registado no passado uma lesão no ligamento astrágalo-

calcaneano, não se verificava a existência de um número significativo de pacientes com instabilidade crónica

na articulação tibiotársica [70]. Por outro lado, outro estudo indica que aproximadamente 10% dos pacientes

com instabilidade lateral do tornozelo apresenta instabilidade na articulação astrágalo-calcaneana [71]. Desta

forma pode concluir-se que existindo uma lesão isolada nesta articulação não implica a futura presença de

instabilidade crónica, no entanto se for verificada a existência de instabilidade lateral deve ser averiguada a

presença de instabilidade astrágalo-calcaneana. Uma avaliação ideal contempla o estudo individual da condição

anatómica de cada uma das articulações.

3.1.3. Entorse medial

Na constituição da articulação tibiotársica um dos principais elementos é o ligamento interno que é

composto pelo ligamento deltoide e por uma camada profunda existente entre a tíbia e o astrágalo. Do ligamento

deltoide podem diferenciar-se duas camadas, uma superficial que se desenvolve verticalmente e uma mais

profunda. Esta última tem um tamanho menor e uma direção horizontal e é aquela que mais contribui para a

estabilidade medial, embora todo o ligamento funcione como uma só unidade dando suporte ao tornozelo

durante a movimentação do pé [72].

A entorse medial decorre de um movimento brusco de eversão do pé como se encontra representado

na Figura 3.4, no entanto é muito raro o registo de uma lesão isolada nestas condições. De um estudo realizado

por Brostrom [42] em 281 lesões agudas no tornozelo somente 3% estavam localizadas apenas na face medial,

das quais, praticamente a totalidade dizia respeito a ruturas parciais do ligamento deltoide.

26 Havendo ainda a possibilidade de existir simultaneamente instabilidade crónica lateral e na articulação astrágalo-calcaneana, como foi

acima referido.


41

Figura 3.4 - Entorse medial pelo movimento de eversão.


Quando existe referência a uma rutura completa desse ligamento é frequente estar combinada com

outro tipo de lesão [73], com algum mecanismo de fratura óssea no tornozelo ou com a rutura de ligamentos

da sindesmose (membrana interóssea entre a tíbia e o perónio). Nesse sentido, quando se verifica a existência

de lesão no ligamento deltoide (ver Figura 3.5) é indispensável verificar se há também rutura de outro ligamento

(pela análise da parte proximal do perónio) ou fratura de um dos maléolos. Em casos em que é necessário

assegurar a precisão dos resultados deve ser associado um exame imagiológico à aplicação de um esforço de

eversão, que habitualmente é conseguido por um técnico que se encontra também na sala de exame.

Figura 3.5 - Ligamentos sujeitos a rutura durante a entorse lateral.


Relativamente às patologias crónicas, a instabilidade medial do tornozelo não pode existir de forma

isolada pois qualquer aumento do espaço medial que possa sugerir insuficiência mecânica do ligamento

deltoide deve ser associado de imediato à diástase da sindesmose ou à fratura do perónio [74].

3.1.4. Entorse alta do tornozelo (sindesmose)

A sindesmose, que é a articulação fibrosa que estabelece a ligação entre a tíbia o perónio, tem na sua

constituição os ligamentos tíbio-peronial inferior (anterior e posterior) que previnem o deslocamento lateral


42

excessivo do perónio e a membrana interóssea. Destes, o ligamento tíbio-peronial inferior anterior é o que

controla o movimento de rotação lateral e o deslocamento posterior do perónio relativamente à tíbia.

A diástase da sindesmose ocorre devido à rutura parcial ou total do complexo ligamentar que a constitui

[75] através de uma súbita rotação lateral do tornozelo (como demonstra a Figura 3.6) que leva o astrágalo a

pressionar o perónio forçando a abertura da articulação tíbio-peronial distal [76].

Figura 3.6 – Entorse alta do tornozelo pelo movimento de rotação lateral.


Esse movimento exerce um esforço muito grande, primeiro no ligamento deltoide e de seguida nos

ligamentos tíbio-peronial inferior anterior e tíbio-peronial inferior posterior (representado na Figura 3.7). Ao

contrário da rutura parcial, a rutura completa da sindesmose sem outra lesão precedente é muito rara [77], já

que a situação mais comum é a associação desta lesão à fratura do perónio.

Figura 3.7 – Ligamento que limita o movimento de rotação lateral.


A melhor forma de testar a condição anatómica da sindesmose é através da rotação lateral do pé com

o tornozelo em flexão, o que provoca um esforço sobre a respetiva superfície articular por ação do astrágalo

estimulando a dor quando atinge a capacidade limite. O controlo do paciente sob a rotação da perna pode

negligenciar a informação obtida através do exame imagiológico, para o qual a ressonância magnética se tem


43

revelado o mais apropriado, tendo em conta o seu elevado nível de precisão comparativamente a outros exames

[78].

Uma lesão da sindesmose não identificada e não tratada, com ou sem lesão do ligamento deltoide, é

a patologia à qual se encontra associado o maior número de problemas de incapacitação, tornando

indispensável (do ponto de vista do paciente) uma avaliação anatómica e funcional cuidadosa e precisa desta

articulação.

3.2. Métodos de avaliação das principais lesões

Apesar da frequência com que ocorre a entorse no tornozelo e da capacidade que esta lesão tem para

restringir atividade física, ainda não existe um consenso sobre a melhor forma de a abordar clinicamente [37].

A principal dificuldade reside na dificuldade em definir a melhor intervenção para o seu tratamento, o que

decorre da falta de instrumentos e métodos adequados durante o processo de diagnóstico. Este processo tem

uma contribuição fundamental pois permite avaliar as consequências provocadas pela lesão e o efeito

terapêutico das intervenções clínicas já efetuadas.

O método tradicional realiza a avaliação com base nas dimensões da estrutura e/ou na força

acometida, como por exemplo na amplitude de movimento articular ou na força muscular [46]. Porém, a

Classificação Internacional de Funcionalidade propõe uma abordagem diferente considerando que a reunião de

informação sobre a estrutura, a função, a atividade e a perceção própria sobre a condição de saúde, devem

ser consideradas e quantificadas no processo de avaliação e diagnóstico [79]. Para isso, devem ser associadas

ferramentas capazes de abranger os domínios de avaliação estrutural e funcional, com a reprodução das

condições do contexto diário da atividade do tornozelo.

O principal objetivo dos tratamentos de entorse é devolver aos clientes a sua funcionalidade,

possibilitando o retorno às suas atividades diárias, no entanto o alcance desse objetivo encontra-se

inerentemente dependente do sucesso alcançado com a otimização da etapa de diagnóstico.

3.2.1. Exame físico

O método tradicional de diagnóstico de uma lesão no tornozelo contempla um processo de examinação

física, seja ele por palpação ou pela realização de testes específicos a certos constituintes, de forma a avaliar a

sua integridade anatómica e funcional.


44

Durante o processo de examinação física do tornozelo, dado o número de graus de liberdade que este

elemento possui, devem também ser verificadas as amplitudes de cada movimento individual de forma ativa

ou passiva27, pois uma mobilidade articular excessiva revela também um comportamento anormal

(comparativamente com o pé não lesionado) [80,81]. A escolha dos movimentos a serem testados é feita com

base em dois parâmetros: no tipo de movimento que deu origem à lesão e nos movimentos que, de alguma

forma, solicitam funcionalmente os ligamentos danificados.

Num processo de diagnóstico pós-entorse no tornozelo já se encontram definidos certos testes

específicos adequados à avaliação dessa estrutura. Entre eles, devem ser realizados o teste da gaveta anterior

e o teste da gaveta posterior sempre que se pretende avaliar a instabilidade da articulação tibiotársica. Os testes

de esforço em varo e de esforço em valgo além de permitirem a avaliação dos ligamentos colaterais, detetam

também a instabilidade na articulação astrágalo-calcaneana. Devem ainda ser referidos os movimentos de

rotação medial e lateral do pé frequentemente utilizados para examinar: o ligamento lateral externo e o

ligamento lateral interno, respetivamente; o ligamento cruzado posterior do joelho e ainda a sindesmose.

Seguidamente será feita uma breve referência ao protocolo normalmente utilizado em cada um dos testes.

3.2.1.1. Teste da gaveta anterior e teste da gaveta posterior

O teste clínico habitualmente realizado para avaliação da instabilidade na zona anterior do tornozelo

existente quer por rutura ligamentar, como pela existência de sintomas crónicos num episódio de pós-entorse,

é o teste da gaveta anterior. Este teste permite verificar a integridade do ligamento perónio-astragaliano anterior

[82]. Para a sua realização o examinador segura o calcanhar com uma mão, mantendo fixa a extremidade

inferior da tíbia com a outra mão e provoca um deslocamento anterior do astrágalo em relação à tíbia [58]

como demonstra a Figura 3.8.

Figura 3.8 - Teste da gaveta anterior.

(Adaptado de: http://www.aafp.org/afp/2006/1115/p1714.html)

27 Um movimento passivo é um movimento acionado por um elemento externo à estrutura do corpo humano.


45

Se o resultado for positivo, significa que existe um sulco localizado anterior e medialmente sobre a

articulação do tornozelo, indicando a rutura e/ou alongamento do ligamento perónio-astragaliano anterior

[64,83].

Atualmente existe uma classificação qualitativa da quantidade de lassidão anterior patológica, no

entanto a sua definição é subjetiva, tornando variável a concordância entre os examinadores. Segundo Karlsson

[64] uma translação acima 10 mm do valor normal define a presença de instabilidade mecânica.

O teste da gaveta posterior é utilizado na avaliação do ligamento perónio-astragaliano posterior, o que

significa que é realizado menos frequentemente pois apenas é danificado em situações de extrema gravidade

tal como foi referido na caraterização da entorse lateral. Este teste é realizado com uma mão na face anterior

do pé que realizará um movimento descendente e com a outra mão a apoiar a face posterior da tíbia (os

movimentos são realizados na mesma direção que os apresentados na Figura 3.8 mas em sentidos opostos).

Se houver um deslocamento significativo no sentido posterior significa que há rutura no ligamento perónio-

astragaliano posterior.

3.2.1.2. Teste de esforço em varo e teste de esforço em valgo

A instabilidade lateral pode ser avaliada pelo teste de esforço em varo, pois este permite analisar quer

o ligamento perónio-astragaliano anterior, como o ligamento perónio-calcaneano [82].

Neste teste o examinador executa o movimento de inversão passiva do tornozelo do paciente,

procurando realizá-lo até à máxima amplitude de movimento permitida pela articulação. O teste é realizado

com uma mão a estabilizar a parte inferior da perna e a outra mão a segurar o calcâneo e o astrágalo forçando

a inversão desses dois ossos sob a tíbia [58], como está representado na Figura 3.9.

Figura 3.9 - Teste de esforço em varo.

(Adaptado de: http://www.aafp.org/afp/2006/1115/p1714.html)


46

Um valor de deslocamento angular superior ao valor médio normal registado indica a rutura dos

ligamentos perónio-astragaliano anterior e perónio-calcaneano. Como referência considera-se que mais de 10°

acima do valor normal já sendo patológico, ou seja, existe instabilidade articular [64,83].

O teste de esforço em valgo realiza-se exatamente da mesma forma, com a particularidade de ser

transmitido ao astrágalo e ao calcâneo um movimento de eversão sob a tíbia e não de inversão. Sendo que

quando é registada uma amplitude superior aos valores admissíveis para este movimento (referidos no Capítulo

2) existe a possibilidade de dano do ligamento deltoide.

3.2.1.3. Movimentos de rotação medial e lateral

O movimento de rotação medial pode ser utilizado para avaliar o desempenho funcional do ligamento

externo pois será ele um dos principais elementos do tornozelo a limitar esse movimento. Assim, se a amplitude

de rotação medial for superior ao limite estabelecido, pode ser um indicador de que o ligamento externo que

não está estabilizar corretamente a estrutura, tornando necessária a posterior realização de um exame

imagiológico para confirmar o pressuposto.

A rotação lateral é o movimento habitualmente utilizado para avaliação clínica do desempenho da

articulação tíbio-peroneal inferior, principalmente pelo facto desse movimento estar na origem da formação da

entorse nessa articulação. O movimento de rotação lateral, à semelhança do que foi referido para o movimento

de rotação medial, pode também ser realizado para avaliar o ligamento lateral interno (ou mais propriamente

o ligamento deltoide). Este componente pode estar danificado se ao ocorrer uma entorse medial entrou em

rutura e é incapaz de restringir o movimento de rotação externa.

Existem vários métodos de classificação qualitativa de entorses baseados na funcionalidade articular e

no compromisso do complexo ligamentar do tornozelo observados clinicamente [84]. Ainda assim, os resultados

obtidos com a realização destes testes bem como a sua análise variam muito entre examinadores, não só pela

experiência profissional que apresentam mas também pelos métodos adotados e pela sensibilidade

caraterística de cada um, associando uma certa imprecisão ao processo [85,86].

Os testes anteriormente referidos que requerem a aplicação de um movimento passivo recorrem

habitualmente da aplicação manual do esforço por parte dos técnicos. Contudo, já existem no mercado

equipamentos que permitem a aplicação da carga com maior controlo, embora estes apenas possam estar

associados à realização de um exame imagiológico de elevada precisão [67].


47

3.2.2. Exame imagiológico

Com o desenvolvimento da imagiologia anatómica estima-se que os progressos na medicina clínica nos

últimos 20 anos igualam todos os anteriores combinados. A principal vantagem oferecida pelas técnicas de

obtenção de imagem é a capacidade de observação do interior do corpo humano com uma precisão muito

elevada sem o risco e o traumatismo da cirurgia [14].

Os exames de imagem revelam quais os elementos do sistema musculosquelético que se encontram

danificados. Existem diferentes exames imagiológicos disponíveis atualmente e a sua principal vantagem é a

capacidade de fornecer ao profissional clínico informação visual sobre a condição anatómica e fisiológica que

se encontram os elementos que possam estar envolvidos numa determinada lesão, o que se tornaria bastante

mais complicado de outra forma.

Os exames realizados com mais frequência para o estudo da osteologia e da artrologia são a radiografia,

a ressonância magnética (RM) e a tomografia axial computorizada (TAC). A sua escolha e aplicabilidade por

parte dos técnicos de saúde varia de acordo com alguns dos parâmetros que os caraterizam como por exemplo

a precisão, a disponibilidade e o custo. No decorrer da realização de um exame imagiológico existe ainda a

particularidade de ser atribuída uma nomenclatura diferente a dois dos planos anatómicos referidos no

subcapítulo 2.3. Enquanto que, a terminologia anatómica adota a denominação de plano sagital, plano frontal

e plano transverso, do ponto de vista radiológico utiliza-se plano sagital, plano coronal e plano axial,

respetivamente [15].

Atualmente, a indicação para a realização do exame imagiológico é feita após um processo de análise

clínica que contempla a examinação física com recurso a testes específicos (sempre que forem aplicáveis) e

posteriores exames de imagem. Com esses resultados é avaliada a hipótese da presença de uma lesão que

será corroborada, ou não, pela reunião dos resultados apresentados em cada exame.

3.2.2.1. Radiografia

De entre os exames imagiológicos habitualmente utilizados a radiografia é o exame mais

frequentemente solicitado, quer por motivos clínicos ou cirúrgicos. Neste exame a radiação eletromagnética de

pequeno comprimento de onda atravessa o corpo e sensibiliza a película fotográfica para dar origem a uma

imagem onde estão representadas as substâncias capazes de absorver os raios emitidos, que são

essencialmente os constituintes do sistema esquelético [14].

Em geral este exame é escolhido quando se pretende detetar alguma fratura pois os constituintes

ósseos são os elementos que podem ser demonstrados com maior clareza. Sempre que se pretende visualizar


48

outros constituintes, como artérias ou veias, deve ser administrada uma substância de contraste que irá

preencher os órgãos a analisar permitindo que estes absorvam os raios X com maior intensidade [15].

Para além da radiografia foram desenvolvidas outras técnicas de exames que têm sido utilizados com

frequência para o diagnóstico de lesões em tecidos moles (tendões, ligamentos e cartilagens) por apresentarem

maior precisão.

3.2.2.2. Ressonância magnética (RM)

Em casos clínicos de pós-entorse do tornozelo, sempre que o diagnóstico indique uma possível lesão

ligamentar, a ressonância magnética é o exame habitualmente utilizado. Para a realização do exame o paciente

é exposto dentro de um campo eletromagnético a ondas rádio diretas. Para a recolha de imagem são dirigidas

ondas rádio ao paciente que vão alterar o arranjo dos protões dos átomos de hidrogénio existentes na zona do

corpo humano a avaliar. Quando as ondas deixam de ser emitidas os átomos rearranjam-se segundo o campo

magnético existente na sala de exame. Como cada tecido tem um tempo de rearranjo distinto, o computador

permite diferenciar todos os tecidos existentes, face ao tempo de rearranjo específico de cada um [14].

Este exame não só permite detetar de forma precisa o nível de rutura dos ligamentos envolvidos na

lesão (podendo esclarecer se existe rutura parcial ou completa dos mesmos) como possibilita a perceção do

nível de desenvolvimento da patologia em relação aos restantes tecidos associados [48,87,88].

O que distingue a ressonância magnética dos restantes exames são a sua capacidade de recolher

imagem em múltiplos planos, a sua excelente resolução de contraste (que permite uma boa análise das partes

moles) e ainda a possibilidade de analisar uma estrutura ou uma lesão em particular [89].

3.2.2.3. Tomografia axial computorizada (TAC)

A tomografia axial computorizada é muito utilizada quando se pretende avaliar pequenos defeitos por

ser um exame rápido, fiável e simples de realizar. Depois da ressonância magnética este é o melhor exame

para avaliar individualmente organismos das estruturas intra-articulares [90].

O tomógrafo computorizado produz um conjunto de imagens baseadas nos planos anatómicos, sejam

eles transversais ou coronais. Para a recolha das imagens o paciente deve estar deitado sobre uma mesa e ao

seu redor move-se circularmente um tubo que emite raios X e recolhe informação camada por camada. No

final a informação obtida é tratada com recurso a técnicas complexas de análise matemática, criando as

imagens finais.


49

Com o contínuo desenvolvimento das técnicas de diagnóstico atuais, surge a necessidade de otimizar

todas as etapas desse processo. Tal ideologia permitiu a evolução de exames com recolha de imagem

bidimensional, para exames tridimensionais onde se torna possível uma melhor perceção e localização espacial

relativa dos constituintes anatómicos. Essa técnica é atualmente denominada por angiotomografia

computorizada e a sua aplicação permite a visualização tridimensional do sistema vascular após a injeção

venosa de um meio de contraste.

A tendência atual é a sua aplicação aos restantes constituintes do corpo humano. Nesse sentido, a

principal limitação apresentada é a capacidade de conciliar simultaneamente os testes físicos e os exames

imagiológicos, aumentando a precisão e o rigor. Assim tornar-se-ia desnecessário submeter os técnicos de

saúde às radiações emitidas em alguns dos exames sempre que se pretende a realização de um movimento

passivo de um segmento do corpo humano.

Os exames efetuados sob tensão são frequentemente realizados atualmente para trabalhos de

investigação ou para o diagnóstico e tratamento de patologias menos claras, como a instabilidade crónica do

tornozelo. Este tipo exames imagiológicos aplicados à articulação do tornozelo são úteis para a diferenciação e

definição entre instabilidade mecânica e funcional e para a avaliação a instabilidade astrágalo-calcaneana [91].

3.3. Dispositivos de auxílio ao diagnóstico

Tal como foi supramencionado, para a análise da articulação do tornozelo, ou de outras próximas a

esta, é normal a realização de movimentos passivos para avaliar a mobilidade articular após uma lesão. Visto

que tal função é frequentemente desempenhada pelo profissional de saúde que vai efetuar o diagnóstico,

significa que as condições com que são realizadas um exame não conseguem ser reproduzidas na íntegra no

exame seguinte, quer do ponto de vista de quem está a examinar, quer da parte dos pacientes.

Desta forma, o nível de imprecisão associado ao processo poderia facilmente ser ultrapassado se o

mecanismo acionador do movimento fosse mecânico em vez de manual. Nesse sentido foram desenvolvidos

alguns dispositivos para a medição e/ou execução dos movimentos do tornozelo, aos quais será feita uma

breve referência e descrição. De salientar que os dispositivos que serão apresentados possuem algum tipo de

relação com o dispositivo em projeto, seja pela sua aplicação ou pelo princípio de funcionamento.


50

3.3.1. Goniómetro universal

O goniómetro foi um dos primeiros sistemas que surgiu para a medição do deslocamento angular entre

dois segmentos tal como é percetível pela Figura 3.10.Este equipamento tem como principal função medir a

amplitude de deslocamento angular de uma articulação, o que pode ser conseguido através do posicionamento

do centro de rotação do aparelho diretamente sobre o eixo de movimentação na articulação. Por sua vez, o

alinhamento dos braços do goniómetro deve ser feito com os dois segmentos musculosqueléticos que se

estendem a partir da articulação. O dispositivo tem uma gama de medição de 360°, embora a maioria das

articulações apenas conseguem alcançar uma amplitude máxima de 180°.

Figura 3.10 - Exemplo de um goniómetro universal utilizado para medir a amplitude articular entre dois segmentos.

(Adaptado de: http://www.fervi.com/ita/strumenti-di-misura/calibri-truschini-e-goniometri/goniometri/goniometro-universale-pr-6164.htm)

Tipicamente, a medição é feita pelo deslocamento do segmento distal relativamente ao segmento

proximal. A amplitude de movimento da articulação é dada pelo deslocamento angular alcançado partindo da

posição nula, que no caso do tornozelo diz respeito à posição onde é formado um ângulo reto (90°) entre a

perna e o pé [15].

A principal vantagem da utilização deste aparelho é a possibilidade de medição de um ângulo

independentemente do plano de movimento de uma articulação com recurso a um sistema simples e pouco

dispendioso [92].Em contrapartida, ao medir o deslocamento externamente não tem a capacidade de reproduzir

com fiabilidade o deslocamento relativo dos constituintes internos.

3.3.2. Telos Stress Device

O Telos Stress Device é um dispositivo desenvolvido pela empresa alemã METAX mais desenvolvido a

nível tecnológico do que o goniómetro e permite examinar alguns dos ligamentos do tornozelo e do joelho no

decorrer de uma radiografia [93].


51

O seu princípio de funcionamento baseia-se na aplicação de uma pressão conhecida a partir da pode

ser encontrada a força aplicada. Na Figura 3.11 é apresentado um exemplo de aplicação do dispositivo.

Figura 3.11 - Aplicação do Telos Stress Device (a) e respetiva imagem obtida através de uma radiografia (b).

(Adaptado de: http://www.telosmedical.com/telos-stress-device)

A principal desvantagem do equipamento é que não pode ser utilizado na realização de exames

imagiológicos que permitem a avaliação de tecidos moles, ou seja, a sua utilização não permite avaliar a

condição e os níveis de funcionalidade de ligamentos do tornozelo.

3.3.3. Porto Knee Testing Device (PKTD)

O PKTD apresentado na Figura 3.12 permite a medição da instabilidade do joelho, qualitativa e

quantitativamente, através da avaliação do comportamento dos ligamentos, nomeadamente do ligamento

cruzado anterior, posterior ou periféricos. Para além disso pode também ser utilizado para a avaliação do

funcionamento de próteses no joelho em doentes com patologia degenerativa (através da identificação de

potenciais fontes de dor que dificilmente seriam caracterizadas pelos métodos convencionais) ou para a

avaliação e distinção entre os doentes que necessitam ou não de tratamento cirúrgico.

Figura 3.12 – Modelo do Porto Knee Testing Device.

(Adaptado de: http://www.portotestingdevice.com/?p=3&n=protocol.)


52

À semelhança do que é apresentado no presente trabalho, é utilizado para a avaliação articular durante

a realização de um exame imagiológico. Para a realização do exame, numa fase inicial, devem ser recolhidas

imagens do joelho imóvel, ou seja, sem qualquer carga externa a atuar sobre ele. De seguida, através de um

sistema pneumático que se encontra implementado no dispositivo, o acionamento de um compressor de ar

estimula o avanço de um dos cilindros pneumáticos que será o responsável por exercer uma dada força sobre

os constituintes anatómicos da estrutura articular do joelho, ou por simular a rotação do pé28, de acordo com o

teste que é realizado.

O PKTD já se encontra no mercado, sendo comercializado nível mundial, no entanto está ainda

atualmente em fase de patente.

3.3.4. Comparação entre os dispositivos existentes

Dos dispositivos apresentados, pode ser realizada uma análise com vista na comparação do ponto de

vista das suas caraterísticas técnicas e funcionais. Na tabela Tabela 3.1 apresenta-se a comparação entre os

dispositivos existentes com base em algumas das caraterísticas essenciais no presente trabalho.

Tabela 3.1 - Análise comparativa entre os dispositivos existentes atualmente.

Aplicabilidade ao tornozelo

Associação de exame físico e imagiológico

Precisão na avaliação de tecidos

moles

Custo do dispositivo

Goniómetro ∆

Telos Stress Device

PKTD ∆ ∆

Dispositivo atual ∆ ∆ ∆

Melhor aplicabilidade ∆

Aplicabilidade razoável

Baixa aplicabilidade

De acordo com a avaliação realizada é possível perceber que ainda não existe um dispositivo que

satisfaça as condições indispensáveis para o processo de diagnóstico de patologias no tornozelo associadas a

constituintes como os ligamentos. Para além destas caraterísticas o dispositivo em projeto tem ainda a

vantagem de permitir a realização de um exame físico dinâmico aquando da recolha de informação

imagiológica.

28 É também com o objetivo de demonstrar que um movimento que é realizado no tornozelo pode ser útil para a avaliação de elementos

de outras articulações, que é feita a abordagem deste equipamento no presente trabalho. Neste caso em concreto é realizado esse movimento porque o ligamento cruzado posterior do joelho é o responsável pela limitação da instabilidade rotacional [105].

Projeto de um dispositivo médico para apoio ao diagnóstico de patologias no tornozelo Capítulo 4. Projeto do novo dispositivo

53

CAPÍTULO 4. PROJETO DO NOVO DISPOSITIVO

No presente capítulo encontra-se descrita a metodologia utilizada ao longo do projeto, bem como cada

uma das etapas de desenvolvimento de diferentes soluções. De forma a tornar percetível as limitações impostas

é apresentada uma lista de especificações. São também descritas as principais etapas da fase concetual que

levou a definição da solução final. É ainda feita uma descrição pormenorizada da solução adotada, quer das

suas caraterísticas estruturais como das suas funcionalidades.


54


55

4.1 Metodologia de projeto

O projeto mecânico é um dos processos universais com maior impacto, ao qual se encontra

inevitavelmente associado o nível de inovação técnico e tecnológico alcançado atualmente. Desde os mais

rudimentares aos maiores projetos de engenharia, pode dizer-se que, de um modo geral, todos eles foram

propostos por existir a necessidade de um novo produto ou processo, ou por outro lado, por existir um problema

que deveria ser superado. Neste contexto, importa definir que existem dois tipos de projeto distintos: o projeto

de engenharia direta que é realizado sempre que se pretende desenvolver uma nova solução no mercado e um

projeto de engenharia inversa, que é utilizado quando se pretende otimizar algo já existente, mas que entretanto

se tornou obsoleto ou inadequado às necessidades atuais.

A globalização deste conceito com aplicabilidade em áreas absolutamente distintas deu origem à

definição de mapas ou modelos de desenvolvimento do processo de projeto por parte de autores da área de

metodologia de projeto como French, Jones, Archer ou March. Com estas abordagens tornou-se mais simples

a perceção de que a sistematização dos procedimentos possui uma grande vantagem, que é a capacidade de

desenvolver projetos de grande complexidade (por vezes associados a riscos e custos elevados) através de um

trabalho em equipa com a garantia de um procedimento e de uma solução mais eficazes [94].

Os procedimentos utilizados nos dias de hoje compõem uma metodologia de projeto que contempla

um conjunto de técnicas ou métodos aplicados em cada uma das fases até que seja alcançada a solução final.

Tal como nos projetos mais comuns, no presente trabalho não foi seguido nenhum modelo de forma exata, no

entanto em cada uma das etapas encontra-se presente o princípio em que se baseiam. Desta forma é fornecida

uma maior flexibilidade com a organização necessária para ser planeado, otimizado e verificado.

Este trabalho, tal como a maior parte dos trabalhos de projeto, surgiu pela existência de uma

necessidade de um novo produto. Essa fase inicial do processo criativo, ou por outras palavras, a origem da

ideia da realização do projeto de um dispositivo médico para apoio ao diagnóstico de patologias no tornozelo

pertence à entidade representada pelo Professor Doutor João Espregueira-Mendes, Professor Associado da

Universidade do Minho e Diretor Clínico do grupo Saúde Atlântica.

Com a sua vasta experiência profissional no estudo desta articulação, não só em quantidade mas

também pela qualidade de trabalhos realizados na área da ortopedia, o Professor Espregueira-Mendes

apercebeu-se que o delay existente entre a etapa de examinação física e a etapa de examinação imagiológica

de uma lesão pode tornar o diagnóstico mais tardio e menos eficaz. Para a otimização desse processo foi

proposta a conceção de um dispositivo capaz de solicitar de forma passiva o pé, para que nas posições extremas

de mobilidade possa ser recolhida informação visual relativa aos elementos constituintes da articulação do


56

tornozelo. Para além disso existem também limitações associadas à reprodutibilidade, fiabilidade e precisão

dos movimentos passivos realizados manualmente ao longo do processo de avaliação de diferentes tornozelos

que devem ser otimizadas.

Da parte do cliente29 existia a solicitação de uma solução para o problema apresentado que não

divergisse muito esteticamente do Porto Knee Testing Device (apresentado no subcapítulo 3.3.3), pois a solução

encontrada poderá constituir parte integrante desse dispositivo. A abordagem foi feita de uma forma direta, na

qual se encontravam totalmente definidos os principais requisitos e os objetivos globais pretendidos. As

restantes etapas de execução, como a definição dos requisitos e especificações, a conceção de diferentes

soluções e a fundamentação e caraterização da solução final fazem parte do presente trabalho e por esse

motivo a sua descrição pormenorizada terá lugar nos subcapítulos seguintes.

Enquanto, do ponto de vista técnico o projeto do dispositivo médico simboliza um avanço significativo,

pois permite o abandono de exames estáticos (na ressonância magnética e na tomografia axial computorizada)

para a integração de exames dinâmicos, do ponto de vista médico permite também um progresso importante

por possibilitar a combinação de diferentes tipos de avaliação: anatómica, fisiológica e funcional. Na sua

plenitude este conceito não existia antes em nenhum dispositivo desenvolvido para esse efeito.

4.2 Fase de desenvolvimento

A medicina é uma área absolutamente distinta da engenharia mecânica, o que exigiu um processo de

integração detalhado não só nos conceitos base da ortopedia mas também no mecanismo e nas consequências

das principais lesões do sistema musculosquelético. Concluída a etapa de contextualização no tema tornou-se

necessário proceder à clarificação dos objetivos pretendidos com recurso ao método da árvore de objetivos

(apresentada na Figura 4.1), de modo a dar início ao processo de planeamento de potenciais soluções.

4.2.1 Definição dos objetivos

A árvore de objetivos é composta por vários níveis, dos quais os de nível superior representam os

objetivos de maior importância e os de nível secundário representam um meio para se atingir os de nível

superior [95,96]. Este modelo pode também ser conhecido como árvore dos problemas, ou seja, o seu conteúdo

permite a criação de soluções para o principal problema apresentado.

29 A denominação de cliente refere-se à entidade que propôs a realização do projeto, que é o Professor Espregueira-Mendes e a sua equipa de trabalho, e não às pessoas que mais tarde irão utilizar o produto, os técnicos de radiologia.


57

Figura 4.1 - Árvore de objetivos com as principais exigências do projeto do dispositivo médico.

Numa abordagem global pode dizer-se que os objetivos se resumem às principais caraterísticas

relacionadas com a segurança, funcionalidade e adaptabilidade do equipamento.

Tal como referem Pahl e Beitz [94], podem ser considerados como objetivos gerais de todos os projetos:

a realização da função técnica para que o produto foi projetado, o alcance da viabilidade económica da solução

final e a garantia dos requisitos de segurança para os seres humanos e para o ambiente em que será aplicado.

Para este projeto em concreto foi elaborada a lista de objetivos com base nas exigências apresentadas no

momento da realização da proposta do projeto e também tendo em consideração as necessidades básicas para

a utilização de um dispositivo médico que esteja em contacto direto com um paciente em ambiente clínico.

Dispositivo médico para apoio ao diagnóstico de patologias no

tornozelo

Segurança

Higiene Sem contaminação

Fiabilidade Durabilidade

PrecisãoSensibilidade na execução

dos movimentos

Funcionalidade

Controlo de movimentos

Movimentação do pé

Simples

Conjugado

Adaptabilidade

Porto Knee Testing Device

Comutabilidade de componentes

Profissionais de saúde

Simplicidade de utilização

Globalização antropométrica

Conforto


58

A definição dos principais objetivos é útil para perceber o que se pretende obter da solução final o que

ajuda a definir com maior clareza o conjunto de requisitos que devem ser aplicados.

4.2.2 Definição dos requisitos

Para a etapa seguinte foi necessário procurar os profissionais de saúde de forma a perceber

concretamente quais as necessidades existentes e os principais requisitos a que o dispositivo deveria obedecer.

Para além das diversas reuniões com a Engenheira Ana Leal, com o Professor Doutor Espregueira-Mendes,

com o Doutor Hélder Pereira e com o Fisioterapeuta Rogério Pereira, foi também possível presenciar a

realização de um exame por ressonância magnética (com consentimento do paciente) durante o qual foi feita

a avaliação da instabilidade patelar através do PKTD30. A possibilidade de assistir ao exame foi uma mais-valia

para o processo de desenvolvimento de soluções, pois permitiu ter uma melhor ideia da prática de exame e

das condições em que será realizado.

A partir dos objetivos estabelecidos na árvore de objetivos e com a recolha dos requisitos exigidos e

desejados pelo cliente foi possível definir uma lista de requisitos apresentada na Tabela 4.1. Na lista de

requisitos apresentada podem distinguir-se as duas classificações diferentes, os requisitos exigidos (E) que

devem ser cumpridos em qualquer circunstância e sem eles o produto não é aceite, e os requisitos desejados

(D) que são aqueles que devem ser tidos em consideração sempre que possível. É ainda atribuída uma

classificação qualitativa de acordo com a ordem de relevância dos requisitos desejados indicados [94] [96].

Tabela 4.1 - Listagem dos requisitos do projeto

1 Deve ser utilizado durante um exame clínico. E

2 É capaz de realizar de movimentos de forma passiva sobre o pé. E

3 É capaz de avaliar a condição funcional da estrutura ligamentar do tornozelo. E

4 É capaz de avaliar a existência de instabilidade articular. E

5 Controlo de movimentos efetuado pelo técnico de saúde. E

6 Os seus constituintes não afetam a higiene caraterística do ambiente clínico. E

7 Pode ser utilizado durante um exame imagiológico como a Ressonância Magnética e a

Tomografia Axial Computorizada.

E

8 A sua presença não afeta a o procedimento de realização do exame. E

9 É parte integrante do Porto Knee Testing Device. E

10 Possui semelhanças com o PKTD. D

30 O dispositivo de avaliação patelar (atualmente em fase de patente), bem como o que é apresentado no presente documento serão partes integrantes do Porto Knee Testing Device, com a particularidade que o que é referido neste trabalho será utilizado para a avaliação do tornozelo e não do joelho [110].


59

11 Possui um processo de utilização intuitivo. D ∆

12 O seu manuseamento não requer de uma formação especializada por parte do técnico. D

13 Pode ser utilizado na generalidade dos pacientes. D ∆

14 Possui um processo de montagem simples. D

15 Preparação rápida do paciente para o exame D

16 Tem o menor custo de fabrico possível. D

Nível de importância elevado ∆

Nível de importância médio

Nível de importância reduzido

Seguidamente será apresentada uma breve descrição para cada requisito, justificando não só a sua

presença na lista que foi elaborada, mas também a sua posterior associação a uma especificação técnica do

produto final.

1. Deve ser utilizado durante um exame clínico.

O dispositivo deve ser utilizado durante o processo de examinação de um paciente com uma lesão

na estrutura articular do tornozelo, seja para o diagnóstico da patologia ou para a avaliação da condição do pós-

operatório. É também importante que seja capaz de avaliar o tornozelo do membro inferior direito e do membro

inferior esquerdo de igual forma, porque é muito comum durante o processo de diagnóstico comparar-se o

comportamento do que está lesionado com o do que está saudável.

2. É capaz de realizar de movimentos de forma passiva sobre o pé.

Durante o processo de avaliação da condição anatómica e funcional do tornozelo é importante

perceber o grau de mobilidade máximo que o pé possui relativamente à perna. Contudo, a presença de uma

patologia torna, por vezes, o paciente incapaz de controlar e coordenar de forma exata os movimentos

pretendidos. Nesse sentido o dispositivo deve forçar o pé a desempenhar cada um dos movimentos até ao seu

limite superior de mobilidade.

3. É capaz de avaliar a condição funcional da estrutura ligamentar do tornozelo.

Tal como foi demonstrado no Capítulo 3, para avaliar a condição dos ligamentos constituintes da

articulação tibiotársica e dos restantes que se encontram na sua periferia, devem ser realizados o teste de

esforço em varo e o teste de esforço em valgo (movimentos de inversão e eversão, respetivamente), a rotação

lateral e medial do pé, ou a combinação de cada um deles. Os movimentos de supinação e pronação do pé

(apresentados no Capítulo 2) têm pouco interesse porque embora sejam os que se assemelham mais ao


60

posicionamento do pé em atividades do dia-a-dia, não são úteis para testar os limites funcionais e a condição

anatómica individual de um dado ligamento, pois solicitam toda a estrutura.

4. É capaz de avaliar a existência de instabilidade articular.

A instabilidade existente na articulação tibiotársica pode ser avaliada com a execução do Teste da

Gaveta Anterior e do Teste da Gaveta Posterior, enquanto a instabilidade existente na articulação astrágalo-

calcaneana pode ser analisada pela realização dos movimentos de inversão e eversão do pé, tal como é referido

no capítulo anterior.

5. Controlo de movimentos efetuado pelo técnico de saúde.

Do ponto de vista de quem realiza um exame médico não pode existir qualquer insegurança

relativamente ao controlo dos procedimentos de exame. Deste modo, tendo em conta a experiência habitual

dos técnicos que realizam o exame é importante fornecer-lhes a capacidade de decisão sobre as ações a tomar.

Esta caraterística é imposta não só pela sensibilidade que eles possuem na diferenciação entre cada caso

clínico, mas também porque dessa forma sentem maior confiança ao utilizar um dispositivo mecânico.

6. Os seus constituintes não afetam a higiene caraterística do ambiente clínico.

Sendo o ambiente em que será utilizado, um local onde é necessário manter o asseio e a higiene

do espaço e dos utensílios existentes deve ser excluída a possibilidade de utilização de componentes/sistemas

que possam sujar o local. Ou por outras palavras, deve ser priorizada a utilização de componentes com menor

probabilidade de contaminar o meio em que estão inseridos.

7. Deve ser utilizado durante um exame imagiológico como a Ressonância Magnética e a

Tomografia Axial Computorizada.

Como foi descrito no subcapítulo 1.2.2 Exame Imagiológico, a RM e a TAC são os exames

disponíveis com maior precisão quando se pretende avaliar anatomicamente os ligamentos. A conjugação do

exame físico e do exame imagiológico é um dos principais requisitos do projeto, o que implica que o dispositivo

que obedeça a requisitos dimensionais impostos pelos equipamentos de exame.

8. A sua presença não afeta o procedimento de realização do exame.

Num equipamento de ressonância magnética não podem ser utilizados materiais que possuam na

sua composição química elementos químicos que interferiram no campo magnético criado durante o exame,

como o ferro, o cobalto e o níquel. A presença desses elementos vai gerar um fenómeno de atração ou repulsão

com outros componentes do equipamento aquando da realização do exame, podendo lesionar o paciente.


61

9. É parte integrante do Porto Knee Testing Device.

O dispositivo de apoio ao diagnóstico deve ser capaz de ser utilizado individualmente ou acoplado

ao PKTD. Sempre que se pretende avaliar a condição anatómica dos ligamentos do tornozelo é necessária a

execução dos movimentos de rotação medial e lateral do pé com a perna em flexão.

10. Possui semelhanças com o PKTD.

Podendo ser parte integrante do Porto Knee Testing Device, torna-se desejável que haja uma

reunião visualmente harmoniosa entre os dois dispositivos. Por outro lado, faz todo o sentido que todos os

equipamentos desta gama possuam uma uniformização visual que os identifique e caraterize no mercado.

11. Possui um processo de utilização intuitivo.

Visto que a sua aplicação será em gabinetes com equipamentos de RM e TAC, quem irá utilizar

diretamente o dispositivo serão os técnicos responsáveis pela realização do exame. Por terem uma formação

profissional na área da saúde, pode inferir-se que de um modo geral não devem ter experiência na manipulação

de sistemas mecânicos. Desta forma, é importante que a seleção e o acionamento das funções desejadas

sejam facilmente percetíveis, não gerando dúvidas ou indecisões no momento da sua utilização.

12. O seu manuseamento não requer de uma formação especializada por parte do técnico.

A compra do dispositivo torna-se uma mais-valia para as instituições que realizam os exames

porque dessa forma estas serão capazes de fornecer resultados mais rigorosos para o diagnóstico, tornando-

as mais procuradas que as restantes. Porém, torna-se importante referir que a aquisição do dispositivo já irá

representar um custo adicional, se fosse necessário fornecer formação profissional aos que o manuseassem o

mais provável seria que as instituições perderiam o interesse. Assim, a sua utilização deverá assentar num

princípio de funcionamento básico.

13. Pode ser utilizado na generalidade dos pacientes.

Tal como o PKTD já se encontra a ser comercializado para diferentes instituições mundiais, o

dispositivo de apoio ao diagnóstico de patologias no tornozelo poderá ser utilizado para examinar pacientes de

diferentes continentes, com medidas antropométricas díspares. De outro modo, deve também permitir uma

avaliação de homens, mulheres e crianças com a mesma precisão e eficácia, mesmo com tamanhos de perna

e pé muito diferentes.


62

14. Possui um processo de montagem simples.

Uma caraterística relevante é a facilidade de montagem dos componentes do dispositivo sempre

que este é adquirido por uma nova entidade, ou que necessita de ser transportado para um novo local. A

capacidade de ser transportável acrescenta-lhe valor, pois pode ser deslocado, por exemplo, da RM para a TAC

sem exigir uma elevada quantidade de recursos.

15. Preparação rápida do paciente para o exame

O protocolo de realização de um exame como a ressonância magnética ou da tomografia axial

computorizada é já é um processo relativamente demorado pois o técnico deve interromper o exame para

posicionar o tornozelo na posição pretendida e em seguida captar a imagem. Se o processo de preparação do

paciente for lento e pouco prático diminui a rentabilidade de realização de exames e o dispositivo poderia perder

o interesse.

16. Tem o menor custo de fabrico possível.

Tendo em conta que o Porto Knee Testing Device está atualmente a ser comercializado, já existe

uma empresa que é a responsável pelo processo de fabrico dos seus componentes, a SOLIDtech. A produção

de cada uma das peças é feita com recurso a uma tecnologia de vazamento em vácuo, a produção por moldes

de silicone. Visto que já existem moldes para algumas das peças que realizam uma determinada função, sempre

que for necessária uma peça semelhante no dispositivo em projeto é desejável que possua as mesmas

caraterísticas de forma a poder utilizar o mesmo molde para um maior número de peças.

4.2.3 Definição das especificações técnicas

Os objetivos definidos inicialmente são por vezes considerados especificações de desempenho, o que

não é de todo correto, pois eles apenas representam afirmações do que o projeto em si deve alcançar sem

impor qualquer limitação ao projeto mecânico. Assim, a partir da lista de requisitos foi possível agrupar um

conjunto de especificações de desempenho apresentado na Tabela 4.2, ou seja, um grupo de caraterísticas

técnicas que traduzem, do ponto de engenharia, os limites e funcionalidades a que cada requisito se refere.

Tentou-se ainda que na definição das especificações, os limites impostos não fossem demasiado apertados

para que dessa forma o conjunto de possíveis soluções finais não se tornasse demasiadamente restrito.

Contudo, existe um conjunto de condições obrigatórias, quer do ponto de vista do produto como do processo.

Para cada uma das especificações técnicas é estabelecida uma relação com os requisitos

anteriormente definidos que foram impostos pelo cliente ou por estratégias de marketing do produto (como por


63

exemplo, o facto de não necessitar de formação adicional para os utilizados). Em anexo é apresentada uma

lista formal, que advém da aplicação do método das especificações de desempenho [94,96].

Tabela 4.2 - Listagem das especificações de desempenho para o projeto.

Requisitos associados

Especificações

2, 3, 4 Utilização para o pé direito e para o pé esquerdo. E

3, 4 Movimento de rotação medial do pé ≤ 80°. E

3, 4 Movimento de rotação lateral do pé ≤ 80°. E

3 Movimento de eversão do pé ≤ 90° E

3 Movimento de inversão do pé ≤ 90° E

3 Movimentos de rotação medial ou lateral e eversão ou inversão em simultâneo D ∆

3 Movimento de flexão do pé ≤ 40° D

3 Movimento de extensão do pé ≤ 60° D

3,4 Zona de fixação da perna ou do pé não deve afetar a transmissão de movimentos

para a estrutura do tornozelo

E

4 Simula a execução do Teste da Gaveta Anterior. E

4 Translação anterior do astrágalo ≤ 28 mm. E

4 Simula a execução do Teste da Gaveta Posterior. E

4 Translação posterior do astrágalo ≤ 28 mm. E

5, 8, 11, 12 Sistema mecânico de acionamento manual. E

1, 6 Inexistência de fluidos em contacto com o meio externo. E

7, 8 Atravancamento inferior ao diâmetro do tubo da câmara de exame. E

7, 8 Inexistência de materiais magnéticos (Ressonância Magnética). E

11, 12 Acionamento óbvio e simples através da seleção de uma posição de duas possíveis. D ∆

2, 13 Aplicável a um valor mínimo de 90% das medidas antropométricas. D ∆

12, 14 Utilização de sistemas poka-yoke. D

11, 15 Acomodar o doente na posição de exame < 3 operações. D

Nível de importância elevado ∆

Nível de importância médio

Nível de importância reduzido

Na definição das especificações de desempenho podem ser evidenciadas as que se referem à

movimentação do pé nos planos e eixos descritos no Capítulo 2. Dos movimentos especificados deve ser

salientado que a flexão e extensão do pé são os movimentos que o paciente, ainda que com a lesão, consegue


64

reproduzir com relativa facilidade de forma autónoma e por esse motivo esta especificação não é absolutamente

necessária.

A lista de especificações apresentada é referente ao desempenho do conjunto, no entanto, cada

componente per si deve obedecer a especificações de caráter dimensional e geométrico de forma que possam

ser integrados no conjunto.

Depois de definidas as especificações técnicas passou-se para o desenvolvimento concetual da solução,

mais propriamente para o design da mesma. É importante referir que, quer a etapa apresentada como a que

se segue, representam processos morosos pois necessitam do consenso de todos os intervenientes em cada

vez que é necessário tomar uma decisão.

4.3 Projeto concetual

Um dos desenvolvimentos com maior impacto nos últimos anos, tanto no processo de conceção de um

produto como no contexto das atividades desenvolvidas por um engenheiro, veio do processamento de dados

por computador, ou mais concretamente do Desenho Assistido por Computador (CAD – Computer Aided

Design). Esta técnica revolucionou não só os métodos de projeto anteriormente adotados, mas também a

abordagem e a criatividade aplicada de forma individual a cada projeto e por cada engenheiro [94].

Tendo em conta que sem o CAD a realização do presente trabalho teria um percurso absolutamente

distinto, com certeza bem mais moroso, devem ser salientadas como principais vantagens da utilização desta

ferramenta: a boa apresentação dos desenhos, com cada vez maior precisão e mais próxima do aspeto real; a

possibilidade de serem corrigidos com grande facilidade e rapidez; a capacidade de serem impressos em

diversos formatos e de serem armazenados em grandes quantidades [97].

Conclui-se assim que o desenho assistido por computador foi um conceito indispensável, não só no

desenvolvimento das possíveis soluções, bem como para a apresentação da solução final. Porém, durante o

processo criativo de geração de possíveis soluções alternativas foram realizados esboços (manuais) por ser

uma forma mais rápida e intuitiva de expressar as ideias à medida que estas surgiam. Sempre que era assumida

a exequibilidade da ideia representada num esboço esta era modelada tridimensionalmente através do software

CAD utilizado, o SolidWorks 2014. Contudo, com as que se percebia que não eram viáveis optou-se por não

modelar pois para a execução dessa tarefa era necessário despender de tempo que seria útil para o projeto.

Quando o objetivo principal de um projeto é o desenvolvimento de um novo produto, a fase concetual

é realizada com base na lista de requisitos e especificações que foi previamente elaborada. Porém, no decorrer


65

do desenvolvimento e à medida que são apresentadas as primeiras soluções é comum surgirem propostas de

alterações dos requisitos inicialmente impostos. Essas alterações podem surgir porque o cliente não imaginava

como seria a representação física do produto e com essa ideia já definida torna-se mais explicito o que

realmente é exigível e o que é apenas desejável do ponto de vista prático. Este conceito não é de todo inovador,

segundo uma abordagem sistemática Dixon [98], e mais tarde Penny [99], definem um projeto como a

otimização de determinados objetivos respeitando parcialmente cada uma das restrições que estão em conflito,

ou seja, como os requisitos são alterados com o tempo, uma solução em particular apenas pode ser otimizada

para um dado conjunto de circunstâncias.

De modo a simplificar o processo de desenvolvimento foram criados três grupos de desenvolvimento:

(A) o de adaptação/encaixe no PKTD; (B) o do suporte e fixação do pé e (C) o que se refere à execução dos

movimentos. Para cada um dos grupos será apresentado o progresso até à solução adotada. Inicialmente tentou

encontrar-se uma solução que garantisse a presença de todas as especificações de desempenho, fossem elas

exigidas ou desejadas, independentemente da classificação que lhes foi atribuída. À medida que surgiam

limitações estruturais ou funcionais, as especificações de desempenho com menor relevância eram

primeiramente excluídas.

4.3.1 Modelo de encaixe no Porto Knee Testing Device

No projeto do PKTD já existia um sistema capaz de realizar a rotação do pé lateral e medialmente,

como se pode ver na Figura 4.2, no qual se encontra uma peça que estabelece a ligação com os restantes

componentes do dispositivo.

Figura 4.2 – Peça de encaixe do mecanismo de rotação do pé do Porto Knee Testing Device.


66

No presente trabalho o modelo da peça de encaixe foi adaptado de forma a permitir o acoplamento de

um novo dispositivo. Nesse sentido, como já existe uma solução para o encaixe do dispositivo de apoio ao

diagnóstico de patologias no tornozelo, não houve a necessidade de criar soluções alternativas. Na Figura 4.3

é apresentado o aspeto inicial e o aspeto final da peça após terem sido efetuadas as alterações pretendidas no

software de modelação.

Figura 4.3 - Peça de encaixe no PKTD, antes e após a realização das alterações.

A nova geometria da peça de encaixe permite que esta permaneça constantemente colocada no PKTD

e, sempre que necessário, pode ser-lhe acoplado o novo dispositivo de uma forma prática. A geometria da zona

de ligação entre o PKTD e o novo dispositivo tem ainda a vantagem de se adaptar de forma simples e estável

à aplicação de outros dispositivos devido ao seu encaixe universal.

4.3.2 Modelo de suporte e fixação do pé

Sabe-se que para o cumprimento dos requisitos e das especificações funcionais do projeto o pé deve

ser sujeito a um dado movimento, no entanto não se encontra especificado se este deve ser transmitido de

forma direta ou de forma indireta a outro componente no qual o pé se encontre fixo e com o qual está solidário.

Do ponto de vista clínico não é muito conveniente aplicar um esforço diretamente ao pé porque como

cada pé tem um tamanho e uma forma diferente, a superfície através da qual é aplicada a força deverá ser

ajustável de acordo com inúmeros parâmetros antropométricos. Por esse motivo estabeleceu-se que o pé

deveria encontrar-se fixo a uma estrutura à qual serão transmitidos os movimentos e desta forma pode também

garantir-se a reprodutibilidade das condições de exame. Ao longo do processo criativo foram propostas três

soluções distintas apresentadas na Figura 4.4.


67

Figura 4.4 – Esboços das soluções possíveis para o suporte do pé.

Das soluções propostas, a solução A foi rejeitada porque, quer do ponto de vista funcional como do

ponto de vista estrutural existe um excesso de material na zona inferior de apoio do pé, que pode ser removido

à semelhança das outras soluções. Na solução B o sistema de fixação do pé ao suporte é feito através de duas

fitas elásticas que se cruzam e se encontram ligadas ao suporte nas extremidades. Na solução C utilizam-se

duas faixas de material que possua elasticidade que podem ser ajustadas através de cordões.

Na Figura 4.5 encontram-se modeladas as duas últimas soluções, a B e a C, que seriam as que melhor

se adequavam para a aplicação pretendida.

Figura 4.5 - Soluções para o suporte do pé modeladas tridimensionalmente.

Depois de pedir a opinião aos profissionais de saúde foi escolhida a solução C, pois a solução B não

garante tanta facilidade de ajuste a tamanhos muito diferentes, ou seja, os mais volumosos iriam ficar com


68

muito aperto e os mais pequenos iriam ter alguma folga. A solução B poderia também comprometer a realização

dos movimentos de eversão e inversão devido ao posicionamento das fitas elásticas cruzadas.

Caso a zona inferior de apoio do pé na solução C afete a execução de algum movimento é considerada

ainda a possibilidade de combinar o suporte da solução B (que é mais baixo na zona posterior do pé) com o

método de fixação da solução C, embora a solução C completa seja a que fornece maior estabilidade.

Para a modelação do componente responsável pelo suporte do pé foi necessário atender a uma

especificação importante, que é a aplicabilidade do dispositivo a um valor mínimo de 90% das medidas

antropométricas de comprimento e largura do pé.

A antropometria pode ser definida como a listagem dos dados sobre o tamanho do corpo humano

[100]. Visto que fisicamente as pessoas variam no seu peso, tamanho e forma é importante que um dispositivo

destinado à avaliação do corpo humano possua uma aplicabilidade praticamente universal. Pela análise de

uma amostra de valores ordenados de forma crescente foi possível definir o 5º percentil e o 95º percentil como

os limites31 inferior e superior, respetivamente, dos intervalos de medidas de comprimento e largura do pé, a

que o seu apoio deve respeitar. Os valores apresentados na Tabela 4.3 foram estabelecidos pela Organização

Internacional de Normalização (ISO - International Organization for Standardization) como sendo as medidas

básicas do corpo humano que devem ser utilizadas para o projeto mecânico [101].

Tabela 4.3 - Medidas antropométricas do comprimento e largura do pé.

Valores recolhidos a nível mundial

5º Percentil (mm) 95º Percentil (mm)

Largura do pé (homens) 88 116

Largura do pé (mulheres) 81 105

Comprimento do pé (homens) 229 296

Comprimento do pé (mulheres) 210 270

Valores recolhidos na Europa (Alemanha, Itália e Holanda)

5º Percentil (mm) 95º Percentil (mm)

Largura do pé (homens) 88 111

Largura do pé (mulheres) 82 102

Comprimento do pé (homens) 242 296

Comprimento do pé (mulheres) 220 264

31 O percentil é uma medida que divide a amostra em 100 partes, cada uma com uma percentagem aproximadamente igual. O 5º

percentil representa os 5% da população que não excede esse valor e 95º percentil representa os 95% da população que não excede esse valor [111]. Os valores compreendidos entre o 5º percentil e o 95º percentil representam 90% da amostra.


69

O limite inferior é definido pelo valor mínimo feminino e o limite superior é definido pelo valor máximo

masculino. Para valores de largura inferiores ao 5º percentil o dispositivo poderá não garantir a sensibilidade

necessária durante a transmissão do movimento devido à folga existente entre o pé e o apoio. Para valores

acima do 95º percentil o apoio pode tornar-se demasiado pequeno, causando desconforto. Ainda assim, como

é compreensível, quando são utilizados modelos que devem ser adaptados a diferentes tamanhos é difícil

garantir um modelo ideal para todos os pacientes.

O suporte não necessita de cumprir as dimensões impostas para os valores do comprimento do pé

pois este não necessita de estar completamente apoiado. Por exemplo, os movimentos que são

desempenhados pela estrutura que se localiza anteriormente aos metatársicos, mais concretamente as

falanges (ver Capítulo 2) não afetam a articulação tibiotársica.

4.3.3 Modelo para a execução dos movimentos

A escolha do mecanismo a utilizar deve satisfazer a necessidade de cumprimento de uma dada função

e também das caraterísticas geométricas e estruturais que constituem o dispositivo final. O princípio de

funcionamento adotado deve, acima de tudo, revelar de forma clara a relação causa-efeito existente, possuindo

total capacidade para assegurar o correto funcionamento com a máxima ergonomia e o menor custo.

No contexto do presente trabalho procurou utilizar-se uma forma de energia que garantisse a presença

de duas caraterísticas importantes: higiénica e silenciosa, levando à seleção da energia pneumática como a

que melhor satisfaz tais requisitos. De notar que este princípio energético apresenta ainda como importantes

vantagens a constante disponibilidade do fluido circulante (o ar) e a facilidade de manuseamento dos seus

sistemas mais básicos. Outro benefício ao utilizar um sistema pneumático é que no Porto Knee Testing Device

também são utilizados cilindros pneumáticos para a execução dos movimentos pretendidos.

Na Figura 4.6 encontram-se representados todos os movimentos que devem ser realizados pelo

dispositivo admitindo que serão cumpridas todas as especificações impostas no subcapítulo anterior.


70

Figura 4.6 - Movimentos que devem ser realizados pelo dispositivo.

Tal como é conhecido a pneumática baseia-se no efeito de compressão de um volume de ar que está

no interior de uma câmara, vulgarmente conhecida como cilindro pneumático. Existem diferentes tipos de

cilindros no mercado, caso fossem utilizados cilindros pneumáticos32 de duplo efeito seriam apenas necessários

quatro cilindros, dada a sua capacidade de reproduzir movimentos numa direção, para cada um dos sentidos.

Porém, tendo em conta as limitações impostas do ponto de vista do processo de fabrico, na empresa que se

encontra responsável pela produção dos componentes do PKTD apenas são produzidos cilindros pneumáticos

de simples efeito, tornando à partida necessário um cilindro pneumático para um movimento (sendo necessário

oito cilindros pneumáticos no total).

Pela análise da Figura 4.6 pode também constar-se que apenas dois dos oito movimentos distintos

representam um movimento linear ou de translação, enquanto os restantes são movimentos de rotação, o que

significa que nestes últimos será necessário utilizar um sistema mecânico capaz de converter o movimento de

translação do pistão (dentro do cilindro pneumático), no movimento de rotação desejado.

Iniciando a descrição pela apresentação dos movimentos mais simples, os de translação anterior e

posterior, a sua presença é importante para simular a realização do Teste da Gaveta Anterior e do Teste da

Gaveta Posterior descritos no Capítulo 3 do presente documento. Apresentam-se na Figura 4.7 as soluções

propostas para o deslocamento anterior do astrágalo relativamente à tíbia.

32 Os cilindros pneumáticos podem ser classificados por simples efeito ou duplo efeito. Nos de simples efeito o ar comprimido é introduzido

apenas num dos lados, o que significa que o pistão só produz trabalho num sentido e o movimento de retorno é garantido por uma mola que se encontra incorporada no interior do cilindro ou por uma força externa. Nos cilindros de duplo efeito a força exercida pelo ar comprimido é capaz de mover o cilindro em duas direções, produzindo trabalho no movimento de avanço e de retorno [112].


71

Figura 4.7 - Esboços das soluções possíveis para o movimento de translação anterior.

Na solução A o cilindro pneumático é parte integrante da base na qual o suporte do pé desliza sobre

as guias representadas. Através destas é realizado o movimento relativo entre os dois componentes encontram-

se entre a face posterior do suporte e a face anterior da base. A principal desvantagem desta solução é o facto

de ser necessário mover todo o conjunto sempre que sejam realizados os movimentos de rotação e eversão e

inversão do pé, havendo uma maior inércia e necessitando de mais espaço livre.

Na solução B as guias de deslizamento localizam-se nas faces laterais entre a base e o suporte do pé

e a localização do cilindro pneumático é independente dessa estrutura. A principal limitação apresentada por

esta solução é o facto das faces localizadas lateralmente ao suporte poderão impor limites ao deslocamento do

pé nos movimentos realizados em torno do eixo sagital, interferindo na avaliação do desempenho funcional do

tornozelo. A solução C (Figura 4.8) revelou-se a mais vantajosa quer por permitir outros movimentos do pé,

independentes do cilindro responsável pelo movimento de translação como por apenas necessitar de deslocar

o suporte e a base com uma estrutura anteriormente referida como a mais vantajosa. De referir ainda que as

guias através das quais existe um movimento relativo entre os componentes não afetam a execução dos

restantes movimentos.


72

Figura 4.8 - Solução adotada para o movimento de translação anterior.

Para o movimento de translação posterior, para evitar a inclusão de um novo mecanismo procurou-se

que fosse adaptado o sistema existente para a translação anterior, de forma permitir o movimento nos dois

sentidos. Neste caso, como se pretendia o deslocamento do suporte do pé no sentido oposto aproveitou-se o

mesmo cilindro (rodado 180°) e criou-se um novo componente de ligação ao suporte que pode ser encaixado

lateralmente sempre que se pretender realizar o Teste da Gaveta Posterior, tal como demonstra a Figura 4.9.

Figura 4.9 - Solução adotada para o movimento de translação posterior.

Desta forma é possível solicitar a translação posterior do astrágalo relativamente ao perónio e à tíbia.

Relativamente aos restantes movimentos, um dos sistemas mecânicos mais simples de conversão

direta de um movimento de translação para um movimento de rotação (ou vice-versa) é o mecanismo roda

dentada-cremalheira. A sua simplicidade e a versatilidade de aplicação levou a que este mecanismo fosse o


73

mais utilizado durante o processo de conceção das possíveis soluções. Este sistema tem a principal vantagem

de se poder optar pelo valor do passo ou do diâmetro primitivo da roda dentada, de acordo com o nível de

precisão pretendido e com o valor do deslocamento linear desejável.

Uma das principais dificuldades encontradas durante o processo de conceção foi a conjugação dos três

movimentos de rotação num só dispositivo, quer do ponto de vista estrutural (por limitações dimensionais

impostas pelas condições em que será realizado o exame), como do ponto de vista funcional, pois a execução

de um determinado movimento nunca pode inviabilizar a realização dos restantes.

Na Figura 4.10 estão representadas as soluções propostas admitindo a realização dos movimentos de

rotação nos três eixos. Como forma de simplificação encontram-se apenas representadas nestas soluções as

superfícies sobre as quais os movimentos são realizados e por esse motivo não há qualquer referência à

quantidade de cilindros pneumáticos utilizados e à forma como estes atuam (à exceção da solução C).

Numa primeira fase a tarefa mais complexa foi a definição do local onde se poderia encontrar a

superfície de deslizamento para cada movimento, para a qual se admitiu que de uma forma ideal deveria existir

um aumento consecutivo da quantidade de componentes a deslocar. Para isso, a superfície de deslizamento

com uma cota superior deslocaria uma pequena parte da estrutura (praticamente só o suporte do pé) e a

superfície de deslizamento com uma cota inferior teria que mover todos os componentes acima desta.


74

Figura 4.10 - Esboços das possíveis soluções considerando que o dispositivo poderá realizar os três movimentos de rotação.

Nesse seguimento, a primeira solução concebida foi a solução A, na qual se pode identificar facilmente

a localização do eixo transversal através do qual é realizado o movimento de flexão e extensão do pé.

Relativamente ao movimento de rotação em torno do eixo longitudinal, foram admitidas duas opções

na solução A para as superfícies de deslizamento: através do encaixe do suporte do pé num componente

cilíndrico (o qual deveria movimentar apenas a estrutura acima do eixo transversal e por isso não ser possível,

esta não é exequível) e através do deslocamento de todo o dispositivo sobre o componente cilíndrico que desliza

na calha apresentada na zona inferior.

Por sua vez, para o movimento de eversão e inversão haviam também duas alternativas na solução A:

recorrendo à rotação em torno do próprio eixo do componente cilíndrico ou transferindo todo o movimento para

uma peça de apoio localizada na base da estrutura. Pelo facto de apresentar uma elevada área de contacto

entre as superfícies de deslizamento (e por isso uma força de atrito superior) a solução A não foi desenvolvida.


75

Para as soluções B, C e D o eixo transversal foi deslocado para uma cota inferior com o objetivo de

simplificar a implementação do mecanismo que executará o movimento de flexão e extensão do pé

relativamente à perna. Comparativamente à solução B, a solução C tem maior estabilidade (já que as rodas

podem promover deslocamentos desnecessários) e é capaz de realizar com maior precisão os movimentos em

torno do eixo transversal. Porém, as superfícies de deslizamento da solução B em torno dos eixos transversal

e longitudinal são mais eficientes e exigem um menor atravancamento da estrutura. Foi então concebida a

solução D (apresentada na Figura 4.11) que garante a reunião das caraterísticas mais vantajosas das duas

soluções anteriores.

Figura 4.11 – Solução que permite a combinação do movimento de rotação lateral e medial, do movimento de eversão e inversão e do movimento de extensão e flexão (a) com e (b) sem a peça de encaixe no PKTD.

Depois da modelação da solução D foram realizadas animações com recurso ao software SolidWorks .

Através desse software foi possível simular cada um dos movimentos por parte do dispositivo. Com essas

animações foi possível perceber que a solução D continha um erro de caráter funcional, já que a localização do

eixo transversal não estava corretamente posicionada como indica a Figura 4.12.


76

Figura 4.12 - Localização errada do eixo transversal em torno do qual se realizam os movimentos de flexão e extensão.

De acordo com a Figura 4.12 na posição incorreta os movimentos de flexão e extensão do pé exigiram

que todo o membro inferior sofresse translação no sentido superior ou no sentido inferior, respetivamente. Na

fase seguinte existiu a tentativa de deslocar todo o mecanismo para o seu posicionamento correto, no entanto,

como se pode ver na Figura 4.13, esta opção para além de exigir um aumento substancial das medidas de

atravancamento do dispositivo final, amplia consideravelmente a complexidade estrutural e de manuseamento

e a sua presença limita a execução dos restantes.

Figura 4.13 - Possibilidade de solução33 para a combinação dos três movimentos de rotação com todos os eixos localizados corretamente.

De acordo com a lista de especificações de desempenho definida no subcapítulo anterior, optou-se por

excluir a possibilidade de execução dos movimentos de flexão e extensão já que é o que apresenta menor

33 Não foi terminado o processo de modelação da solução com o objetivo de economizar tempo de trabalho, já que mesmo incompleta, tornou-se facilmente percetível que o mais vantajoso seria abdicar dos movimentos de flexão e extensão. Refere-se também a particularidade desta solução não possuir o modelo final para o suporte do pé, visto que nesta etapa a ideia essencial seria a transmissão da forma do modelo final.


77

importância relativamente aos restantes movimentos. Passando de novo à fase de conceção de novas soluções

alternativas, foram desenvolvidas apenas duas soluções que se encontram representadas na Figura 4.14.

Figura 4.14 - Esboços das possíveis soluções considerando que o dispositivo poderá realizar movimentos de rotação em torno dos eixos longitudinal e transversal.

Na solução E o movimento de eversão e inversão é o que se localiza a um nível superior, realizando a

rotação em torno do eixo de revolução do componente cilíndrico. O movimento de rotação seria garantido

através do deslocamento linear da cremalheira inferior que seria transmitido à cremalheira superior através da

roda dentada. A solução F contém as guias de deslocamento para o movimento de rotação numa zona superior

e os movimentos em torno do eixo sagital são realizados pelos corpos cilíndricos localizados na zona inferior

interna da estrutura.

Para além da solução E estar associada a uma maior instabilidade na zona inferior da estrutura, existe

também a incerteza se o movimento de inversão e eversão poderia afetar a estabilidade da cremalheira superior,

motivos pelos quais a solução F (presente na Figura 4.15) foi a solução adotada.


78

Figura 4.15 - Solução adotada para a localização das superfícies de deslizamento dos movimentos de rotação lateral e medial e de eversão e inversão.

Relativamente ao posicionamento dos mecanismos que garantirão a execução dos movimentos

representados na solução F foram propostas as soluções apresentadas na Figura 4.16. Durante a fase concetual

das soluções apresentadas procurou-se simplificar o processo de acionamento do movimento. Assim, numa

aplicação técnica a caraterística simples deve ser relacionada com algo que possua um princípio intuitivo, que

seja facilmente percetível ou fácil de desempenhar. É esse mesmo conceito que se pretende aplicar no presente

projeto, cujo objetivo principal é o envolvimento do menor número possível de ações do operador para que o

dispositivo desempenhe a função pretendida.

Figura 4.16 - Esboços das possíveis soluções para o posicionamento dos mecanismos responsáveis pela execução dos movimentos.

Na solução G (Figura 4.18a) é utilizada uma cremalheira cilíndrica com um cilindro pneumático em

cada uma das extremidades, que são os responsáveis pelo acionamento do movimento de translação da

cremalheira em cada um dos sentidos. Para a seleção do movimento pretendido recorre-se a uma alavanca


79

(apresentada na Figura 4.17) que possui três posições: na posição superior o que estabelece contacto com a

cremalheira é uma roda dentada através da qual é realizado o movimento de rotação. Na posição inferior a

ligação é estabelecida através de meia roda dentada que executa o movimento de eversão e inversão do

conjunto e, por fim, a posição intermédia é uma posição de segurança em que nenhuma delas estará em

contacto.

Figura 4.17 - Possível solução para o mecanismo responsável pelos movimentos nos eixos longitudinal e sagital com a caixa protetora (a) e sem a caixa protetora (b).

Na solução H (Figura 4.18b) são utilizados dois sistemas idênticos, um com uma roda dentada (no

mecanismo superior) e outro com meia roda dentada, as quais estabelecem contacto com a respetiva

cremalheira cilíndrica, que por sua vez é acionada por um cilindro pneumático.

Figura 4.18 – Principais soluções para os mecanismos responsáveis pelos movimentos de rotação e de eversão e inversão com recurso a uma alavanca (a) ou de forma independente (b).

A solução adotada foi a solução H, pois ao contrário da solução G, permite a satisfação de um requisito

exigido pelo cliente, a realização simultânea de um movimento de rotação lateral ou medial e de um movimento

de inversão e eversão.


80

Na fase de transcrição do esboço para o modelo tridimensional foi necessário definir de uma forma

mais concreta a forma e a geometria dos componentes que constituem o dispositivo final. Nesse sentido, à

parte das limitações dimensionais impostas pela necessidade de montagem dos componentes, foi estabelecido

um valor máximo para o atravancamento final do dipositivo de 500x400x400 mm (XX, YY e ZZ,

respetivamente),a permitir a sua utilização no de forma no interior de uma câmara34 de uma RM ou de uma

TAC.

Para o projeto dos elementos constituintes dos mecanismos apresentados na solução H foram

efetuados dois processos: a validação dos cilindros pneumáticos e dos órgãos de máquinas utilizados, ou seja,

dos parafusos e de cada um dos mecanismos pinhão-cremalheira.

4.3.4 Projeto técnico dos componentes

4.3.4.1 Validação dos cilindros pneumáticos

Um sistema pneumático utiliza como fluido circulante o ar atmosférico para desenvolver uma

determinada força. Essa energia pode ser utilizada para mover um objeto, ou seja, transformar energia

pneumática em energia mecânica ou também conhecida como trabalho. Existem essencialmente três

constituintes básicos num sistema deste género: um compressor de ar, um dispositivo com um pistão que será

deslocado por ação do fluido, a tubulação e porventura válvulas que permitem controlar o fluxo à entrada e à

saída do sistema.

Tal como referido anteriormente, a Clínica Espregueira Mendes e a empresa SOLIDtech são as

entidades responsáveis pelo projeto do Porto Knee Testing Device e para esse projeto já negociaram com

empresas externas a compra dos compressores, dos manómetros e das tubulações utilizadas nesse dispositivo.

Na Figura 4.19 é apresentado um dos compressores utilizados cuja visualização/análise é limitada a questões

de confidencialidade em relação à entidade fabricante.

34 O valor mínimo admitido para o diâmetro da câmara de exame foi de 400 mm. Ainda assim, este valor é menor do que os equipamentos

existentes na Clínica Espregueira-Mendes, no entanto visto que o processo de inovação das ressonâncias magnéticas tende para a abertura das câmaras de exame de forma a aumentar a gama de aplicabilidade destes equipamentos (que até hoje não poderiam ser utilizados por claustrofóbicos) essa caraterística deixará de ser uma limitação.


81

Figura 4.19 - Compressor utilizado no sistema pneumático.

Um compressor manual como o da Figura 4.19 é composto por um cilindro, por um pistão com uma

haste e com um cabo (por onde é manipulado) e por duas válvulas, uma para a entrada do ar exterior e outra

para a saída do ar comprimido, tal como apresenta a Figura 4.20.

Figura 4.20 - Princípio de funcionamento do compressor utilizado.

De acordo com a nomenclatura da figura anterior, a admissão de ar atmosférico é realizada durante o

movimento de avanço do pistão no interior do cilindro com a válvula antirretorno aberta à entrada. Quando o

pistão atinge o seu curso máximo o cilindro do compressor já se encontra cheio, dando-se o fecho da válvula

de entrada. Posteriormente o ar atmosférico que está no seu interior será comprimido com o recuo do pistão e

quando atinge a pressão desejada é aberta a válvula de saída e o ar comprimido é encaminhado pela tubulação

para o interior do cilindro pneumático.

O princípio de funcionamento possui como desvantagem um acionamento do pistão não continuado

do pistão que se encontra no mecanismo, pois uma descarga do compressor não fornece pressão suficiente

para o deslocamento desejado. Em contrapartida, a utilização deste princípio de funcionamento permite ao

profissional de saúde que está a manusear o dispositivo controlar o aumento de pressão, o que representa uma

mais-valia nessa área pois existe uma maior confiança na relação homem-máquina.

Como não foi possível conhecer as propriedades técnicas necessárias à validação dos componentes e

de funcionamento do compressor utilizado foi realizada uma pesquisa de mercado de forma a conhecer as

caraterísticas mais comuns dos compressores desta gama. Os compressores com princípio semelhante operam

até uma pressão de 6 bar (0,6 MPa) existindo outros que atingem pressões superiores, de 8 e 10 bar (0,8 e 1


82

MPa, respetivamente) que são comercialmente conhecidos por compressores de elevada pressão. Sabe-se

ainda que a pressão máxima utilizada nos testes realizados com o PKTD e controlada através do manómetro

(Figura 4.21) que está acoplado ao compressor foi de aproximadamente 4 bar (0,4 MPa).

Figura 4.21 - Manómetro que se encontra acoplado ao compressor utilizado.

O equipamento de medição utilizado é um manómetro do tipo elástico, denominado por manómetro

de tubo de Bourdon em “C”. O seu princípio de funcionamento baseia-se na lei de Hooke, segundo a qual os

valores de pressão a que o manómetro será submetido se encontram sempre abaixo do limite de elasticidade

do material do medidor. Tendo em conta que a resolução desse dispositivo é de 0,5 bar, foi considerado para

condições de funcionamento, um intervalo entre 3,5 bar (0,35 MPa) e 4,5 bar (0,45 MPa).

Relativamente aos cilindros pneumáticos foi realizado um estudo analítico que pudesse validar a

utilização de cilindros e respetivos componentes associados ao dispositivo de apoio ao diagnóstico.

O processo de fabrico desses componentes que são atualmente comercializados baseia-se numa

técnica de redução de material e é composto por duas etapas, a primeira é a extrusão de varões de poliacetal35

e a segunda é a maquinagem dos mesmos num torno CNC (Comando Numérico Computorizado) até que se

obtenha a geometria final pretendida. Caso seja validada a possibilidade de utilização de cilindros semelhantes

permitiria a redução de custos associados à caraterização de um novo produto e de um novo processo de

fabrico. Esta opção pode ser justificada pelo facto dispositivo ser projetado para um mercado restrito (gabinetes

de radiologia com RM ou TAC) e por isso deverá ser comercializado em pequenas séries, ou porventura, até

mesmo por encomenda.

35 Mais concretamente Ertacetal C, cuja ficha técnica disponibilizada pelo fornecedor se encontra no Anexo B.


83

Na Figura 4.22 está representada uma perspetiva em corte do conjunto composto pelo cilindro, pistão

e tampa que são atualmente produzidos. As principais caraterísticas geométricas do ponto de vista funcional

encontram-se apresentadas na Tabela 4.4.

Tabela 4.4 - Caraterísticas geométricas do cilindro pneumático utilizado no PKTD.

Diâmetro 38,50 mm

Área transversal 1164,16 mm2

Figura 4.22 - Perspetiva em corte do conjunto pneumático utilizado.

O princípio de funcionamento do cilindro utilizado baseia-se num aumento da pressão do ar que se

encontra no interior do cilindro e na diminuição diretamente proporcional do volume de ar (Lei de Boyle). Assim,

pode dizer-se que a força exercida36 pelo ar comprimido nessa face do pistão é igual ao produto da pressão do

ar pela área de contacto com o pistão, tal como demonstra a equação 4.1.

F= P.A (4.1)

Considerando a gama de pressões acima referida são obtidos os resultados apresentados na Tabela

4.5 para a força exercida sobre o pistão.

Tabela 4.5 - Resultados obtidos para o processo de validação dos cilindros pneumáticos.

Limite inferior Limite superior

Pressão 0,35 0,40 0,45 MPa

Força máxima exercida 407,45 465,66 523,87 N

36 Como serão utilizados cilindros de simples efeito apenas será admitido que é realizado trabalho na direção de avanço do pistão e por

isso não é calculada a força exercida pelo recuo do mesmo.


84

De acordo com um estudo [102] realizado em cadáveres registou-se um valor máximo para a força

realizar um movimento de translação anterior do astrágalo de aproximadamente 125 N e para o movimento de

eversão e inversão do pé no plano sagital de aproximadamente 112 N. Estes valores serão utilizados como

referência no presente trabalho, no entanto, como não existe informação científica disponível que confirme

estes dados quer em cadáveres, como em seres vivos considerou-se um fator de 3. É definido este valor porque

se assume que existe a possibilidade de que no diagnóstico de uma lesão como a instabilidade articular possa

ser necessário exercer forças relativamente mais elevadas por motivo considerou-se que o valor máximo de

força aplicada poderia atingir um limite de 375 N.

De acordo com o conceito de coeficiente de carga aplicado a cilindros pneumáticos que se encontra

apresentado pela equação 4.2, está estabelecido que para assegurar um correto funcionamento do

equipamento a força necessária não deve ser superior a 85% da força teórica para a qual o cilindro foi projetado.

100arg teórica

necessária

acF

FCoef

(4.2)

Admitindo o valor da força teórica correspondente à pressão de utilização de 0,40 MPa, obtém-se um

coeficiente de carga de 80,53%, o que é aceitável do ponto de vista de funcionamento.

Desta forma, de acordo com o valor máximo de força transmitida pelo pistão e a força máxima que

eventualmente pode ser necessário exercer é garantida a aplicabilidade do sistema como diagnosticar

patologias no tornozelo.

4.3.4.2 Validação dos órgãos de máquinas - Parafusos

No presente trabalho são utilizados três parafusos de ligação, cuja principal finalidade é a fixação de

cada um dos cilindros pneumáticos relativamente às peças que garantem o respetivo suporte. Os parafusos

deverão estabelecer uma ligação de caráter desmontável, pois pode existir a necessidade de retirar o cilindro

por motivos de avaria ou manutenção.

Segundo Robert Norton em Machine Design: An Integrated Approach [103] os parafusos de fixação

podem ser classificados de formas distintas: pela sua aplicação, pelo tipo de rosca, pelo estilo da cabeça e pela

força que exerce. De acordo com o primeiro tipo de classificação assume-se que será utilizado um conjunto

parafuso-porca, com a particularidade de ser utilizada uma porca borboleta para facilitar o processo de

desmontagem já que este deverá ser realizado por profissionais de saúde com baixa aptidão para o seu

manueseamento.


85

Do estudo dos órgãos de máquinas sabe-se que os parafusos são essencialmente peças roscadas nos

quais as caraterísticas da rosca, como o passo e os diâmetros exterior e interior, são os principais elementos a

serem definidos. Essa definição prende-se de acordo com as regras impostas pela normalização utilizada, no

caso do presente trabalho é considerada a normalização ISO que emprega dimensões métricas e o ângulo do

filete de rosca é de 60.

Neste projeto existe ainda a particularidade de ser preferível a utilização de parafusos não-metálicos

devido à aplicabilidade destes dentro da ressonância magnética. Poderia existir a possibilidade de, por exemplo,

utilizar parafusos produzidos numa liga de alumínio, no entanto, depois de uma pesquisa sobre a atual oferta

no mercado constatou-se que é muito frequente utilizar-se, ainda que em pequena percentagem, elementos

magnéticos como o ferro ou o níquel na sua composição química.

Desta forma, optou-se pela utilização de parafusos produzidos num polímero que será ainda

selecionado, de acordo com as limitações de carater técnico ou financeiro, impostas pela empresa que será

responsável pela produção do dispositivo. No caso, os materiais mais utilizados para esta aplicação são a

poliamida também conhecida por nylon (E= 2 a 4 GPa) e o politetrafluoretileno (PTFE) comercialmente

conhecido por teflon (E=0,5 GPa).

No presente contexto, a principal função dos parafusos é a aproximação das extremidades da peça que

envolve o cilindro pneumático, tal como demonstra a Figura 4.23, imobilizando-o por aperto.

Desta forma, os únicos esforços existentes são cargas de tração sobre o parafuso pois os dois membros

entre os quais estabelece ligação não estarão em contacto um com o outro. O que irá acontecer é uma redução

da distância entre eles que inicialmente é de 3 mm, o que significa que estarão sujeitos a esforços de

compressão apenas em cada uma das faces que estabelecem contacto com o parafuso e com a porca,

respetivamente.

Nesse sentido serão apenas determinados os esforços críticos no parafuso, mais concretamente o

esforço de tração a que este estará sujeito e a tensão de corte na base da rosca. De acordo com as limitações

geométricas impostas, admitiu-se a utilização de um parafuso M5 produzido em PTFE, por ser o material com

menor módulo de elasticidade, logo se resistir com este material significa que o outro também pode ser

utilizado. Tendo em conta as caraterísticas do material apresentadas no Anexo C, será validada a viabilidade

da sua utilização.


86

Figura 4.23 – Distância entre as extremidades da peça de fixação do cilindro pneumático responsável pelo movimento de rotação sem parafuso e porca.

Para determinar o valor mínimo da força axial a exercer sobre o parafuso foi considerado o modelo

apresentado na Figura 4.24.

Figura 4.24 - Cargas a que se encontra sujeito o cilindro que promove os movimentos de translação.


87

Tal como indica a equação 4.2, considera-se que a força radial mínima necessária para garantir a

imobilização do cilindro pneumático relativamente à peça onde este se encontra montado tem que ser superior

à diferença entre a força gravítica do conjunto e a força de atrito do contacto entre as superfícies.

Fr = 3 (P – Fa) (4.3)

Em que,

Fr – Força radial exercida sobre o cilindro para garantir a sua imobilização (N); P – Força gravítica do conjunto (N);

Fa – Força de atrito entre a superfície do cilindro e o seu suporte (N).

Na equação acima apresentada é aplicado um coeficiente de segurança de 3 para que em qualquer

situação se garanta a total imobilização do cilindro, não existindo desta forma deslizamento relativo que disturbe

o correto funcionamento do dispositivo. As propriedades físicas dos componentes envolvidos, necessárias para

o estudo analítico encontram-se na Tabela 4.6.

Tabela 4.6 - Propriedades físicas que influenciam o estudo da imobilização do cilindro pneumático.

Peso

Cilindro 0,016 kg

Tampa 0,021 kg

Pistão 0,034 kg

Encaixe 0,009

Coeficiente de atrito [104]

Plástico / Plástico 0,3

O valor obtido para a força radial mínima que deverá ser exercida sobre o cilindro é de

aproximadamente 1,638 N. Admite-se que este será o valor corresponde à força axial mínima que deve ser

exercida no aperto do parafuso. Para o estudo do parafuso as equações 4.3 e 4.4 representam a tensão normal

de tração a que o corpo do parafuso está sujeito e a tensão de corte na base da rosca do parafuso,

respetivamente.

=2

4

id

F

(4.4)

Em que,

- Tensão normal proveniente do esforço de tração (Pa);

F – Força axial exercida sobre o parafuso (N);


88

id – Diâmetro interior do parafuso (m).

i

b dh

F

2

(4.5)

Em que,

b - Tensão de corte na base da rosca do parafuso (Pa);

F – Força axial exercida sobre o parafuso (N);

id – Diâmetro interior do parafuso (m).

Para o cálculo da tensão de corte na base da rosca foi considerado o modelo geométrico apresentado

na Figura 4.25 para o cálculo da área resistente.

Figura 4.25 - Área resistente à tensão de corte na base da rosca [105].

Admitindo para o parafuso os valores métricos normalizados obtiveram-se os valores de

aproximadamente 43273 Pa (0,043 MPa) e 89778 Pa (0,089 MPa), respetivamente. Sabendo que o valor

mínimo para tensão de cedência do PTFE é de 9 MPa verifica-se que a estrutura do parafuso não será afeta.

4.3.4.3 Validação dos órgãos de máquinas - Mecanismos pinhão-cremalheira

Numa engrenagem de cremalheira considera-se que a circunferência primitiva desta se transforma

num plano, ou seja, possui raio infinito. Nestas condições, as envolventes geradas são linhas retas e portanto

os perfis dos dentes são retos e normais à reta geradora, C2, tal como indica a Figura 4.26. Por outro, os perfis

dos dentes do carreto são gerados exatamente como numa engrenagem entre duas rodas dentadas, C1.

Figura 4.26 - Modelo para a obtenção dos perfis dos dentes por envolvente numa engrenagem cremalheira.


89

Segundo Joseph Edward Shigley em Shigley's Mechanical Engineering Design [106], o engrenamento

entre dois componentes apenas é possível quando estes possuem o mesmo módulo. Seguindo a metodologia

utilizada pelo mesmo autor, para cada um dos mecanismos foi definido um conjunto de caraterísticas

geométricas apresentado na Tabela 4.7.

Tabela 4.7 - Caraterísticas dos mecanismos que realizam os movimentos de rotação e de eversão ou inversão.

Movimento de eversão e inversão Movimentos de rotação

Módulo (m) 1,5 3

Diâmetro primitivo (D) 60 mm 30 mm

Nº de dentes (Z) 40 (roda total) 10

Passo (p) 4,71 mm 9,42 mm

Saliência do dente (ha) 1,5 mm 3 mm

Reentrância do dente (hf) 1,875 mm 3,75 mm

Altura do dente (h) 3,375 mm 6,75 mm

Diâmetro de coroa (Da) 63 mm 36 mm

Diâmetro de raiz (Df) 56,25 mm 22,5 mm

Depois de selecionadas as caraterísticas de cada uma das rodas dentadas, e sabendo que o respetivo

módulo e o passo devem ser iguais aos das cremalheiras com que estabelecem ligação, o número de dentes

de cada cremalheira foi definido de acordo com o valor do ângulo máximo definido em cada movimento.

Quanto maior o módulo do engrenamento, maior é também o passo e por consequência menor é a precisão

do movimento, motivo pelo qual se tentou selecionar módulos baixos para a presente aplicação. O

engrenamento é feito a meio curso da cremalheira de forma a permitir o mesmo deslocamento quando se

desloca para cada um dos dois sentidos.


90

4.4 Análise da solução final

Terminada a apresentação do projeto concetual e após terem sido apresentados os estudos analíticos

que validam a utilização de alguns dos componentes será realizada uma descrição detalhada dos

procedimentos necessários para a montagem e execução de cada um dos movimentos pretendidos do

dispositivo final apresentado na Figura 4.27. Nesse seguimento, para a visualização de alguns dos pormenores

geométricos dos componentes é aconselhável a consulta dos desenhos técnicos apresentados no Anexo D. As

vistas explodidas apresentadas nesse mesmo anexo ajudam na perceção do processo de montagem utilizado.

Figura 4.27 - Solução adotada para o Porto Ankle Testing Device.

Torna-se importante referir desde já o cuidado que foi tido em conta com a aparência de um produto

final, que do ponto de vista dos autores é atualmente um fator de extrema importância do comércio mundial.

Existem diversos estudos que referem que a sensação que resulta do primeiro contacto visual com um objeto

poderá definir se existe ou não interesse em abordá-lo de uma forma mais específica. Além disso, nos dias de

hoje uma grande parte das instituições da área da saúde prezam a estética de um espaço e até mesmo o

aspeto dos profissionais que lá trabalham, fornecendo-lhes uniformes ou adereços que caraterizam a entidade

representante. Isso significa que o presente dispositivo deverá associar-se de forma harmoniosa quer a esse

ambiente, como também ao PKTD tal como demonstra a Figura 4.28.


91

Figura 4.28 - Porto Ankle Testing Device acoplado ao Porto Knee Testing Device.

Do ponto de vista da sua aplicabilidade, o dispositivo pode ser utilizado individualmente quando se

pretende analisar apenas o tornozelo, ou ser acoplado ao Porto Knee Testing Device através da peça de encaixe

que foi adaptada, sempre que para o diagnóstico existe interesse em relacionar as duas articulações. A

montagem dos restantes componentes é realizada de uma forma bastante simples a partir de um componente

principal apresentado na Figura 4.29.

Figura 4.29 - Descrição da ligação estabelecida entre a peça principal e os restantes componentes.

Este componente é indispensável pois é ele que estabelece a ligação entre os diferentes mecanismos.

O facto do presente dispositivo ser projetado para ser comercializado em séries muito baixas permitiu que

algumas peças pudessem ser projetadas com geometria complexa (como é o caso), devido à possibilidade de

serem produzidas com recurso a uma técnica de impressão tridimensional.

Existe ainda outro componente que se torna interessante abordar do ponto de vista do processo de

montagem que é a base do suporte onde é apoiado o pé que está representada na Figura 4.30.


92

Figura 4.30 - Descrição da ligação estabelecida entre a base do suporte do pé e os restantes componentes.

Ainda no processo de montagem é apenas feita a referência de que cada cilindro pneumático encontrar-

se-á devidamente identificado para que sejam posicionados no local correto, visto que embora tenham o mesmo

diâmetro possuem cursos diferentes, de acordo com a translação necessária em cada movimento.

Depois do pé ser instalado no respetivo apoio os cordões devem ser apertados de forma a ajustar o

material elástico que fixa e dá a forma do pé. Seguidamente serão apresentados os procedimentos utilizados

para a realização de cada movimento.

4.4.1 Reprodução do movimento de translação anterior

Para a realização do Teste da Gaveta Anterior é necessário colocar um elemento adicional para bloquear

a translação da perna no momento em que o cilindro for acionado. Deve ainda certificar-se o correto

posicionamento da peça que estabelecerá uma força sobre o calcanhar representada com pormenor na Figura

4.31.


93

Figura 4.31 - Pormenor da peça de contacto com o calcanhar no Teste da Gaveta Anterior.

Quando os requisitos forem verificado pode ser acionado o compressor de ar que irá promover o

deslocamento do pistão. Desta forma, solicitará o deslocamento do astrágalo relativamente à tíbia até ao valor

máximo suportado pelo paciente, como está a ser diagnosticada uma possível lesão é frequente existir dor

quando é exercido um esforço extremo, o que estabelece o valor de deslocamento máximo de um determinado

paciente.

O valor máximo que o dispositivo poderá atingir será de 28 mm. Este limite foi estabelecido por

restrições dimensionais impostas pelos valores de atravancamento e pela relação estrutural dos componentes.

De acordo com os valores apresentados no Capítulo 2, este valor é aproximadamente 3,5 vezes superior ao

valor habitualmente registado, o que indica ser mais que suficiente.

4.4.2 Reprodução do movimento de translação posterior

Para o movimento de translação posterior devem ser montadas duas novas peças (distinguíveis na

Figura 4.32), uma que estabelecerá o contacto entre o cilindro e o suporte do pé e outra que é encaixada nos

mesmos locais que os utilizado para prender a fita elástica usada no movimento de translação anterior. Este

segundo componente tem como objetivo impedir a translação posterior da perna aquando da do pé.

Para que o suporte do pé possa adquirir um movimento de translação posterior é necessário retirar

dos batentes os componentes que posicionam o suporte do pé na altura pretendida, tal como demonstra a

Figura 4.32.


94

Figura 4.32 – Pormenor da peça utilizada para o posicionamento em altura do suporte do pé.

Neste teste, antes do acionamento do cilindro, este deve ser rodado 180° sobre a superfície vertical

com a que estabelece contacto pois só desta forma é que o movimento de avanço do pistão terá um sentido

descendente e moverá a peça adicional, e por consequência, o pé.

À semelhança dos Teste da Gaveta Anterior, e exatamente pelos mesmos motivos, o Teste da Gaveta

Posterior atingirá um valor máximo de 28 mm.

4.4.3 Reprodução dos movimentos de rotação lateral e medial

Os movimentos de rotação lateral e medial são desenvolvidos pelo sistema roda dentada-cremalheira

que se encontra montado na base do suporte do pé. Será utilizado apenas um cilindro (de simples efeito) mas

como é necessário realizar o movimento em dois sentidos (lateral e medial) por isso houve a necessidade de

projetar uma forma que permitisse realizar a translação da cremalheira de duas formas diferentes.

Como movimento é conseguido pela conversão do movimento linear do pistão no movimento de rotação

do pinhão a solução encontrada foi o estabelecimento de contacto entre o pistão e cada uma das extremidades

da cremalheira, em função do movimento que se pretende. Encontra-se exemplificado na Figura 4.33 o sistema

projetado para a realização do movimento de rotação.


95

Figura 4.33 - Princípio de funcionamento do mecanismo que realiza os movimentos de rotação lateral (a) e medial (b).

De acordo com uma vista de trás do dispositivo, quando a alavanca que se encontra acoplada à haste

do pistão está virada para o lado esquerdo (a), significa que a cremalheira irá avançar neste sentido. O

movimento de translação da cremalheira é transmitido ao pinhão, que por estar associado à estrutura do

suporte do pé, fará este rodar para o lado esquerdo.

Quando está a decorrer o movimento final podem ser identificados dois movimentos distintos: o da

cremalheira relativamente ao cilindro e o de rotação da estrutura superior do dispositivo relativamente aos

restantes componentes. Se a alavanca for rodada 180° (b), os movimentos ocorrem exatamente da mesma

forma, mas em sentido oposto. Tal como se encontra referido na Figura 4.34, a amplitude máxima alcançada

será de 80° para a rotação medial e 80° para a rotação lateral.

Figura 4.34 - Movimentos de rotação lateral e medial e respetivas amplitudes de movimento.


96

De acordo com os valores apresentados no Capítulo 2, o dispositivo consegue garantir a execução de

um deslocamento três vezes superior. Contudo deve ainda notar-se que o dispositivo tem que reproduzir as

mesmas condições quando é utilizado para a avaliação do pé direito ou do pé esquerdo.

4.4.4 Reprodução dos movimentos de eversão e inversão

Para a execução dos movimentos de eversão e inversão é utilizado um sistema semelhante mecanismo

igual ao que foi apresentado para o movimento de rotação. Como o princípio é o mesmo, para evitar

redundâncias não será descrito novamente.

É apenas feita a referência de que o movimento final é, de igual forma, composto por dois movimentos

distintos: o movimento de cremalheira (Figura 4.35) relativamente ao respetivo cilindro pneumático e o

movimento de toda a estrutura acima da saliência cilíndrica representada na Figura 4.29 em relação à base do

dispositivo.

Figura 4.35 - Movimentos de eversão e inversão e respetivas amplitudes de movimento.

A máxima amplitude que poderá ser atingida é de 90° para o movimento de eversão e de 90° para o

movimento de inversão. O facto de o dispositivo permitir medir uma gama tão ampla torna-se uma mais-valia

pois não só permite a medição e registo em casos extremos com a mesma precisão como garante as mesmas

condições independentemente da amplitude de movimento.

Projeto de um dispositivo médico para apoio ao diagnóstico de patologias no tornozelo Capítulo 5. Validação e otimização

97

CAPÍTULO 5. VALIDAÇÃO E OTIMIZAÇÃO

Neste capítulo será apresentado o método de validação da solução encontrada bem como os principais

aspetos que devem ser abordados no processo de otimização do dispositivo. O processo de otimização é

referente à etapa seguinte do projeto, mais concretamente à seleção do processo de fabrico e do material a

utilizar. Paralelamente ao projeto do novo dispositivo foi também realizada uma análise global ao desempenho

do PKTD que procurou solucionar alguns dos problemas identificados depois da data de início da sua

comercialização. No final é ainda apresentada uma análise de custos associados à seleção da técnica de fabrico

a adotar.


98


99

5.1. Validação do dispositivo

O intervalo de tempo disponível entre a proposta da realização do projeto e a data limite para a entrega

do trabalho tornou-se extremamente curto, o que limitou o desenvolvimento ao modelo tridimensional do

mecanismo. Desta forma, a solução apresentada apenas poderá ser validada através do modelo virtual.

Para o processo de validação foi utilizada a ferramenta Animation do software SolidWorks para simular

de forma dinâmica o desempenho do dipositivo. Esta ferramenta representa uma mais-valia em qualquer

trabalho de projeto que se encontre associado à execução de um dado movimento. A sua funcionalidade não

só permite perceber se existe interceção do material quando é realizado o movimento relativo dos componentes

como torna possível a demonstração do produto final ao cliente e perceber se corresponde às suas espectativas

a nível funcional.

Dada a impossibilidade de demonstrar no documento a simulação dinâmica do dispositivo serão

apresentadas imagens para cada movimento na posição inicial e nas posições que representam cada um dos

movimentos. Para os movimentos de translação apresentam-se a Figura 5.1 e a Figura 5.2 que ilustram o

dispositivo na posição em que inicia o teste e nas respetivas posições finais correspondentes à translação

anterior e posterior.

Figura 5.1 - Posição neutra (a) e posição avançada (b) nos movimentos de translação anterior no dispositivo.


100

Figura 5.2 - Posição neutra (a) e posição avançada (b) nos movimentos de translação posterior no dispositivo.

No movimento de rotação do pé é possível visualizar a rotação do pé em torno do eixo longitudinal, tal

como demonstra a Figura 5.3.

Figura 5.3 - Posição de rotação medial (a), posição neutra (b) e posição de rotação lateral (c) no dispositivo.

Esta amplitude apenas será conseguida quando existe uma patologia que poderá estar associada à

rutura dos ligamentos que delimitam os movimentos em torno desse eixo. É verificado o mesmo para os

movimentos de eversão e inversão (Figura 5.4) desenvolvidos em torno do eixo transversal.


101

Figura 5.4 - Posição de inversão (a), posição neutra (b) e posição de eversão (c) no dispositivo.

De notar que é ainda possível realizar simultaneamente os movimentos referidos na Figura 5.3 e na

Figura 5.4.

5.2. Otimização

O processo de otimização pode ser aplicado segundo diferentes abordagens do projeto: por uma análise

financeira, do ponto de vista de facilidade de obtenção dos métodos e meios necessários ou ainda em relação

à resistência mecânica estrutural de cada componente.

Antes de serem definidos o processo produtivo e o material a utilizar deve ser avaliado um conjunto

variado de alternativas possíveis. Na Figura 5.5 encontram-se relacionadas alguns temas que podem ser

abordados, dos quais o custo se encontra constantemente presente.

Figura 5.5 - Relação entre conceitos que afetam o custo final do dispositivo.

(TEC. DE FABRICO)

EQUIPAMENTO

ADIÇÃO

SUBTRAÇÃO

(MATÉRIA-PRIMA)

MATERIAL

FONTE

PROPRIEDADES CUSTO

FUNDIÇÃO FORMA


102

Desta forma, pode constatar-se que o processo de otimização poderá condicionar de diferentes formas

o desenvolvimento do projeto. Nesse sentido, torna-se importante esclarecer que o conceito de otimização que

será aplicado no presente trabalho e que está associado à escolha das condições mais vantajosas face às já

utilizadas para o fabrico do PKTD.

À parte do processo de otimização do próprio dispositivo que auxiliará o processo de diagnóstico de

patologias no tornozelo será também apresentada uma análise realizada ao Porto Knee Testing Device com o

intuito de eliminar os seus deformidades mais significativos, quer do ponto de vista técnico ou funcional.

5.2.1. Estrutura interna

O desenvolvimento tecnológico é um conceito implícito na sociedade atual, segundo o qual se

desenvolvem diversos temas de engenharia como é o exemplo da engenharia de materiais onde cada vez mais

se procuram materiais ultraleves, resistentes e com elevada capacidade de absorção de energia, conhecidos

como materiais celulares.

Com materiais sintéticos de elevada qualidade que se encontram disponíveis atualmente a partir dos

quais são produzidos os materiais celulares, os investigadores da área de engenharia de materiais e os

engenheiros mecânicos estão a iniciar uma fase de desenvolvimento para a produção de componentes sólidos

com estrutura celular interior. Um exemplo muito comum da aplicação do conceito de estruturas celulares é a

utilização de uma estrutura de favo de mel em componentes aeroespaciais.

Este conceito tem sido estudado de forma intensiva para materiais metálicos, essencialmente ligas de

alumínio [107] através das quais têm conseguido atingir muito sucesso. No entanto, dada a eficácia da

aplicação deste conceito nessa classe de materiais foi sugerido a sua aplicação no presente contexto. A principal

vantagem dessa aplicação a um polímero não se encontra associada apenas à sua redução de peso mas à

redução de custos associados à quantidade de matéria-prima utilizada e também a um aumento da rigidez dos

componentes [108].

Atualmente já existem diversos grupos que se dedicam ao estudo e desenvolvimento de diferentes

topologias para a estrutura interior de um componente, entre as quais as treliças são um dos modelos mais

requisitados. Como exemplo, uma equipa de investigadores da Universidade da Califórnia (Irvine) e do Instituto

de Tecnologia da Califórnia desenvolveram um material conhecido como o mais leve até então com a melhoria

das propriedades mecânicas [109].

Foi realizado um estudo com o recurso ao software Materialise Magics com o objetivo de comparar a

percentagem de redução de material que cada tipo de estrutura permite, cujos resultados se encontram


103

apresentados no Anexo E. De forma a simplificar computacionalmente o estudo foi utilizado um modelo

cilíndrico com um volume inicial de 8014 mm3. O estudo deveria ter sido realizado com uma peça do dispositivo,

idealmente com a que se encontra sujeita a maiores esforços, no entanto tais modelos exigiriam capacidades

computacionais mais elevadas do que as estão disponíveis atualmente. De acordo com o que é apresentado

no Anexo E, os valores máximo e mínimo obtidos para a percentagem de redução de material são de 97,17%

e de 49,28%, respetivamente.

Os resultados obtidos são aliciantes, contudo para validar do ponto de vista mecânico a aplicação deste

conceito ao presente projeto deverá ser realizado um estudo numérico para avaliar o comportamento mecânico

de cada componente quando solicitado em funcionamento, com ou sem estrutura celular interior. pelos esforços

a que estará sujeito durante o período de funcionamento do dispositivo. A realização de tal estudo não foi

possível devido à necessidade de um computador com elevadas capacidades de processamento e de um

extenso tempo de cálculo exigido.

5.2.2. Seleção do material

Tendo em conta a aplicabilidade do dispositivo, que tal como foi referido várias vezes durante o

documento, deve ser associada a exames imagiológicos como a RM e a TAC, os seus componentes devem ser

produzidos num material com ausência de elementos magnéticos de modo a não interferir no campo magnético

gerado durante o exame.

Embora existam vários elementos metálicos que não sejam magnéticos como o alumínio, o zinco, a

prata, o ouro ou o cobre, na constituição de uma liga metálica é muito comum a presença de elementos como

o ferro, o cobalto ou o níquel (ainda que em pequena percentagem) motivo pelo qual a gama de opções

possíveis foi restringida à classe dos polímeros.

O material utilizado atualmente para a produção do PKTD é fornecido pela empresa Synthene, que foi

uma das primeiras empresas europeias para a produção de materiais sintéticos. A resina de poliuretano37 é um

dos materiais em que a marca tem apostado, o qual produz com recurso a um sistemas de dois componentes

(PR 403 e PR 1503) que garantem a combinação das propriedades físicas e termomecânicas idealizadas do

ponto de vista mecânico. Na sua composição final é formado um material produzido para ser utilizado no

processo de fundição a vácuo em moldes de silicone.

37 A ficha com a informação técnica do material encontra-se no Anexo F.


104

Este produto é indicado pela marca para a produção de protótipos ou de pequenas séries por ser um

polímero que permite combinar boas propriedades mecânicas, como um valor de tensão de módulo de

elasticidade razoável (para a classe de materiais a que se refere) com um custo relativamente acessível (ver

capítulo de análise de custos tal como indica no subcapítulo anterior. O seu comportamento quer do ponto de

vista físico, como quando solicitado mecanicamente, assemelha-se a um termoplástico como o poliestireno ou

a acrilonitrila butadieno estireno (conhecida por ABS).

Tal como se sucedeu no projeto do Porto Knee Testing Device a gama de possíveis materiais a utilizar

pode tornar-se ainda mais restrita depois de ser selecionado o processo de fabrico que será aplicado. Tendo

em conta que o dispositivo será produzido com recurso a uma técnica de prototipagem rápida, a gama de

materiais que poderão ser utilizados é condicionada pela técnica de prototipagem, pelo fabricante do

equipamento e ainda pelas caraterísticas do mesmo, como será demonstrado no subcapítulo seguinte.

Assim, concluiu-se que depois de selecionado o processo de fabrico, o material deve ser selecionado

em sua função da resposta de cada componente à solicitação mecânica a que estará sujeito quando em

funcionamento.

5.2.3. Processo de fabrico

Existem diversas técnicas disponíveis para a produção de um dispositivo com um material polimérico,

que podem ser selecionadas de acordo com restrições impostas pela geometria, pela grandeza das dimensões

ou ainda pelas propriedades do material. A SOLIDtech, que como já foi referido é a empresa responsável pela

produção do PKTD, recorre à fundição a vácuo em moldes de silicone38 para a produção de praticamente todos

os componentes, à exceção do cilindro pneumático, da respetiva tampa e do pistão.

No entanto na fase inicial do presente trabalho não foi imposta a utilização de fundição por moldes de

silicone para a produção dos componentes do dispositivo para auxílio ao diagnóstico de patologias no tornozelo.

Desta forma existia a possibilidade de, caso se tornasse mais vantajoso (do ponto de vista económico), alterar

a entidade responsável pelo processo de produção, forneceu maior liberdade no decorrer do projeto concetual

de cada um dos componentes.

Nesse seguimento foram abordadas outras tecnologias como a maquinagem através do torno CNC que

se baseia que se baseia na redução de material a partir de um bloco de matéria-prima ou na impressão

38 O processo de fundição a vácuo é indicado para peças com baixas espessuras nas quais um dos principais requisitos é inexistência de

porosidades no componente. Este processo é indicado para pequenas séries e os moldes de silicone que são produzidos através de uma técnica de impressão tridimensional são apenas podem ser utilizados para a produção entre 20 a 50 peças. O material mais utilizado neste processo é uma resina de poliuretano.


105

tridimensional que consiste na adição de finas camadas até ser obtida a geometria final. Tal como será

demonstrado no subcapítulo referente à análise de custos, a tecnologia de redução apenas se tornaria vantajosa

para a produção de médias ou grandes séries, limitando à utilização de uma técnica de impressão

tridimensional.

5.2.3.1 Tecnologias de adição

As técnicas de adição instalaram-se facilmente na indústria não só pela redução drástica do tempo de

produção necessário face às restantes tecnologias de manufatura (de fundição, conformação e subtração),

como também pela diminuição substancial dos erros existentes entre o gabinete de projeto e a linha de

produção. A capacidade de poder apresentar um produto num curto espaço de tempo fornece às empresas

uma maior oportunidade de mercado, o gera competitividade e estimula o processo de inovação.

A impressão tridimensional pode ainda ser utilizada pelas empresas quando se pretende produzir um

dispositivo em pequenas séries ou até mesmo por encomenda já que a vantagem das outras técnicas é o baixo

custo conseguido na produção de grandes séries, devido ao reduzido custo da matéria-prima. Por outro lado, a

utilização desta técnica tem ainda a vantagem de dispensar o fabrico de ferramentas necessárias no processo

produtivo, o que se torna economicamente mais vantajoso. A possibilidade de produzir um produto recorrendo

à impressão tridimensional fornece ainda uma maior liberdade na fase concetual do projeto para a utilização

de geometrias mais complexas.

Até à data, devido ao crescimento exponencial do conceito das tecnologias de adição na indústria,

surgiram inúmeras técnicas de impressão tridimensional. Com tal inovação tecnológica, os custos associados

à utilização dessa tecnologia tendem a diminuir e os recursos disponíveis a aumentar, ampliando de forma

notável a gama de produtos economicamente possíveis de serem produzidos por uma tecnologia aditiva. Deve

ainda ser registado que esta tecnologia envolve diretamente apenas 25% do fabrico de componentes finais, no

entanto a partir de 2011 apresentou uma taxa anual de crescimento de 60%, tornando-se o segmento com

maior crescimento na indústria.

Para o presente projeto foi realizada uma pesquisa de mercado que permitiu perceber quais as ofertas

que existem atualmente relativamente às técnicas e aos equipamentos de impressão tridimensional. Das

diversas técnicas encontradas constatou-se que algumas delas foram criadas ou são comercializadas em

exclusivo por um determinado fabricante. Entre as mais comuns destacam-se a estereolitografia

(Stereolithography – SLA), a sinterização laser (Selective Laser Sintering - SLS) e a moldagem por extrusão de

plástico (Fused Deposition Modeling – FDM).


106

No processo de sinterização laser o material armazenado (que se encontra na forma de um pó) é

deslocado desde a zona de alimentação até à câmara de construção (pré-aquecida) por intermédio de um rolo

que percorre toda a superfície e é através da altura do pó que é estabelecida a camada de material. Quando

sobre a plataforma, se encontra uma camada de pó com espessura desejada um feixe de laser funde as

interfaces dos pós, obtendo-se uma estrutura sólida parcialmente porosa.

A estereolitografia é a técnica mais antiga (utilizada desde 1980) e também das mais utilizadas

atualmente. Nesta técnica o protótipo é criado através da incidência de um feixe ultravioleta numa resina epóxi

(solidificação do material), formando um polímero termoendurecível.

Por fim, na moldagem por extrusão de plástico um material termoplástico (normalmente sob a forma

de um filamento) é fornecido a uma cabeça extrusora através de uma bobine de fio. Antes do bocal de saída

do material, um grupo de resistências garante que a temperatura daquele meio é superior à temperatura de

fusão do material para que este possua uma viscosidade suficientemente baixa de forma a fluir através do bocal

de saída. À medida que este é depositado, como está sujeito a um elevado gradiente de temperaturas (entre o

interior do bocal da extrusora e a zona de construção) arrefece rapidamente unindo-se assim à camada anterior.

Na Tabela 5.1 é apresentada a comparação entre as três técnicas apresentadas.

Tabela 5.1 - Comparação entre as principais técnicas de impressão tridimensional [110].

Principais caraterísticas Vantagens Desvantagens

Sinterização

Laser

Adição de material em pó camada por camada;

Sinterização de cada camada de acordo com o ficheiro CAD.

Não necessita de material de suporte;

Não é necessário um pós-processamento do componente.

A superfície obtida é em geral rugosa e porosa;

Necessita de plataforma.

Estereolitografia

Emersão da plataforma num fotopolímero no estado líquido;

Solidificação de camadas consecutivas através do movimento descendente da plataforma.

Superfície pode ser padronizada para posterior uso em fundição.

É apenas aplicável para fotopolímeros;

Necessita de plataforma;

Necessita de um pós-tratamento de cura.

Moldação por extrusão de

plástico

Extrusão dos filamentos de polímero após a sua fusão.

Não necessita de uma plataforma de suporte;

É o que processa polímeros com melhores propriedades mecânicas.

Restringe a possível gama de materiais devido à necessidade de utilização da fase fundida;

Consegue garantir o mesmo nível de precisão nos três eixos.


107

Depois de analisadas caraterísticas de cada processo e as respetivas vantagens e desvantagens pode

concluir-se que a tecnologia mais conveniente é moldação por extrusão de plástico já que é a que permite a

utilização de categoria de polímeros com propriedades físicas e mecânicas mais próximas do material que é

utilizado no PKTD (os termoplásticos) e garante o mesmo nível de precisão nos três eixos.

5.2.4. Análise do PKTD

Para o procedimento de otimização do dispositivo que auxilia o processo de diagnóstico de lesões no

tornozelo. Foi realizado numa fase inicial o registo das principais limitações referidas pelos utilizadores do

dispositivo. Nessa etapa foi necessário não só conversar com alguns dos elementos que já se encontravam

integrados no projeto do PKTD, como também assistir a realização de um exame (RM ou TAC) com a utilização

do dispositivo de modo a facilitar a perceção das anomalias existentes.

Na fase seguinte foram estudadas as causas prováveis dos principais problemas apresentados, a partir

das quais foram sugeridas possíveis soluções de forma a não envolver significativas alterações no projeto dos

componentes. A realização desta análise tende a resultar em alterações que tornarão o PKTD mais atrativo,

sejam elas funcionais ou ergonómicas.

A Tabela 5.2 apresenta uma síntese dos principais problemas que foram registados com as respetivas

possíveis causas.

Tabela 5.2 - Síntese dos problemas apresentados pela análise do PKTD.

Problema 1 Avanço descontinuado dos cilindros pneumáticos

O acionamento dos cilindros é conseguido com repetidas solicitações do compressor para que ocorram as injeções de ar necessárias até que no manómetro seja registada a pressão desejada. Desta forma o pistão concretiza pequenos avanços provocando um deslocamento não linear. Essa caraterística pode causar alguma insegurança ao doente ou também algum desconforto.

Problema 2 Dispositivo final com muito peso

O PKTD já foi encomendado por entidades de diversos países localizados geograficamente em regiões muito diferentes e o transporte do dispositivo até eles será certamente realizado por meios onde o peso da carga é um fator determinante no custo do transporte. Para além disso a redução de peso teria ainda como vantagem a redução da quantidade de material utilizado no fabrico dos componentes que dependendo da técnica de produção que é utilizada, pode apresentar significativas diferenças.

Problema 3 Processo de montagem lento e pouco prático

No processo de preparação quer do paciente, quer do dispositivo, para a realização de um exame, o processo torna-se bastante moroso pois têm que ser colocadas todas as fitas de velcro que são responsáveis pela imobilização da perna e do pé face ao dispositivo. Esta


108

correção não é urgente e também não melhorará a qualidade de funcionamento do dispositivo mas sim apenas a ergonomia do mesmo pois torná-lo-ia mais prático no processo de acomodação do doente.

Para o processo de obtenção das possíveis soluções procurou-se uma abordagem individual de cada

um dos problemas. No problema 1, para que numa fase inicial não houvesse a necessidade de intervir na

geometria dos seus componentes optou-se por tentar resolver o problema com a exclusão das causas mais

simples às mais complexas, de forma iterativa.

Inicialmente foi removida a tampa ao cilindro e foi aplicada uma massa lubrificante para perceber se a

sua presença melhoraria o movimento do pistão no interior do cilindro, o que não se verificou. De seguida foram

realizados testes para medir a cilindricidade e a coaxialidade entre o cilindro e o pistão, no entanto os resultados

obtidos (Anexo G), não indicaram qualquer anormalidade nos valores.

Na fase seguinte foi medido o diâmetro dos o-rings que estavam a ser utilizados para a vedação do ar

no interior do cilindro. O valor registado para os que se utilizam atualmente foi de 35 mm, no entanto depois

de observada a folga existente depois de montados decidiu-se testar o-rings com diâmetros inferiores,

verificando-se que o tamanho ideal seria um de diâmetro de 33 mm. A alteração do o-ring é suficiente para

garantir um avanço linear do pistão.

Para a redução de peso do conjunto é sugerida a aplicação do conceito referido no subcapítulo 5.2.1,

através do qual é possível associar uma significativa redução do material a uma elevada resistência mecânica

dos componentes.

Para o terceiro e último problema apresentado a solução seria a substituição de fitas de velcro e de

parafusos por um sistema em que apenas é necessário selecionar a posição de fixação, contudo esta opção

exigiria a alteração do projeto concetual do PKTD o que nesta fase não é economicamente viável.

5.3. Análise de custos

Na maior parte dos projetos mecânicos realizados atualmente torna-se importante que seja durante a

fase de projeto, como durante o fabrico do produto final, se encontre presente uma ideologia de minimização

de custos. No entanto sempre que existe a necessidade de estimar o custo total de produção de um

equipamento torna-se difícil discriminar de forma exata os valores referentes à mão-de-obra, aos custos de

armazenamento, à matéria-prima, entre outros. Assim, de acordo com uma abordagem global são considerados


109

três valores principais: os custos associados à quantidade de matéria-prima necessária; o custo por hora de

mão-de-obra ou de utilização de um equipamento e ainda o custo associado à logística (ao transporte e ao

armazenamento) para cada componente [100].

Nesse seguimento, o custo pode variar significativamente com o tipo de tecnologia selecionada na fase

de projeto para a produção dos componentes. Anteriormente a essa seleção é indispensável a realização de

uma análise de mercado para perceber que tipo de produto está a ser projetado, ou seja, qual a média de

vendas espectável, visto que existem técnicas mais adequadas para a produção unitária de pequenas, para

médias quantidades ou para produção em grandes séries.

Sempre que no projeto possam ser utilizados componentes normalizados, como por exemplo, a

utilização de um parafuso standard para estabelecer a ligação entre dois elementos, essa escolha é a mais

conveniente do ponto de vista económico pois como existe grande oferta no mercado o seu custo será

substancialmente menor. No presente projeto não foi possível utilizar esse critério na seleção dos elementos

mecânicos (como o parafuso e a roda dentada) não pelo critério aplicado ao material com que os componentes

serão fabricados, mas também pela especificidade das caraterísticas geométricas exigidas.

No entanto, para tentar reduzir os custos associados à produção do dispositivo, sempre que possível

durante o processo de conceção, foram adotadas peças com as mesmas caraterísticas geométricas que as já

existentes no Porto Knee Testing Device. A utilização de peças iguais evita a definição de novas condições de

produção e com isso um novo investimento.

A análise de custo efetuada no presente trabalho tem como principal objetivo a comparação dos custos

de produção de acordo com três técnicas de fabrico distintas: por fundição em moldes de silicone, por

maquinagem ou redução de material e ainda por prototipagem ou adição de material. Contudo, tornou-se difícil

estimar os custos de mão-de-obra e logística pois essa informação não é revelada pela empresa, limitando o

estudo aos custos associados ao consumo de matéria-prima.

Para a fundição em moldes de silicone, que é o processo utilizado pela SOLIDtech, a informação

disponível é o custo da matéria-prima por unidade de massa (20€/kg), o que significa que não serão

contabilizados os custos de produção dos moldes e como se sabe que os custos de produção representam

uma percentagem significativa do custo final do produto. Com isso, num processo de fundição os custos de

investimento na produção de moldes apenas poderão, em geral, ser compensados quando se trata de médias

ou grandes séries. No entanto o dispositivo em projeto foi desenvolvido para ser comercializado em pequenas

séries, então ao custo total foi 32€ aplicado um fator de 2,5 que representa o investimento do fabrico dos

moldes, resultando num valor final próximo de 79€.


110

Para a produção segundo a maquinagem de um bloco foi calculado o volume mínimo que deveria ter

o bloco de material que originaria cada componente39 através das medidas de atravancamento de cada peça.

Assim, para a produção de todos os componentes (à exceção de parafusos, porcas, cilindros pneumáticos e

pistões) seriam necessários aproximadamente 21 kg de material dos quais serão desperdiçados

aproximadamente 71,4% ou mais concretamente 15 kg. Para compensar a utilização desta técnica de fabrico

o custo da matéria-prima deveria ser inferior a 3,7€/kg (4,15€/dm3).

Para a análise de uma técnica de adição de material foram analisadas as características de

equipamentos existentes atualmente, disponibilizados pelas principais empresas estabelecidas no mercado.

Considerando um dos principais fabricantes atuais de equipamentos de impressão tridimensional, a Stratasys,

a partir do contacto com a empresa foi possível obter os custos associados à utilização de dois equipamentos

distintos. A comparação entre os dois equipamentos é útil para exemplificar que mesmo depois de ser escolhida

a técnica de fabrico a utilizar os custos finais podem variar em função das caraterísticas de cada equipamento,

ainda que neste caso a variação não seja tão significativa como em relação às outras técnicas.

Ao estudar os custos que serão associados à impressão tridimensional foi considerada a possibilidade

de utilização do conceito de estruturas celulares que foi abordado no subcapítulo 5.2.1. Apresentam-se na

Tabela 5.3 os custos associados ao consumo de matéria-prima.

Tabela 5.3 - Custos associados ao consumo de matéria-prima utilizando dois equipamentos de impressão tridimensional.

Equipamento A

Custo material 255 €/dm3

Redução de material

0% 60% 70% 80%

Custo final 515 € 206 € 155 € 103 €

Equipamento B

Custo material 248 €/dm3

Redução de material

0% 60% 70% 80%

Custo final 499€ 200 € 150 € 100 €

39 De notar que caso este processo seja considerado o mais vantajoso, deverá existir uma reformulação das peças para que fossem obtidas através de um torno CNC.


111

Como se pode observar pelos valores apresentados, esta tecnologia apenas se tornará vantajosa se for

utilizado o conceito de estruturas celulares, aplicando uma redução de material superior a 60%. De notar que

a utilização de um equipamento desta gama não exige mão-de-obra, ou seja, ao custo final estão apenas

associados os custos do material, do equipamento e de consumo de eletricidade, ao contrário do que acontece

com a tecnologia que é aplicada atualmente.


112

Projeto de um dispositivo médico para apoio ao diagnóstico de patologias no tornozelo Capítulo 6. Conclusões e trabalhos futuros

113

CAPÍTULO 6. CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS

Para além do modelo tridimensional apresentado para o dispositivo médico de apoio ao

diagnóstico, serão apresentadas as principais conclusões retiradas da realização do trabalho. No final são

apresentadas as propostas de realização de trabalhos futuros que poderão contribuir para a valorização do

projeto.


114


115

Com realização deste projeto foi possível obter um novo produto no mercado capaz de permitir a

realização simultânea de dois exames distintos durante o processo de diagnóstico de uma lesão na articulação

do tornozelo. O dispositivo garante a execução dos principais movimentos que são utilizados para a avaliação

da patologia mais incidente, a entorse. Relativamente aos requisitos dimensionais e geométricos impostos

inicialmente que se encontravam relacionados com a utilização deste dispositivo aquando da execução de um

exame de imagem, todos eles foram respeitados e cumpridos.

Na conceção da solução final uma das caraterísticas constantemente priorizada foi a facilidade de

manuseamento do dispositivo, tornando-a sempre que possível, empírica e intuitiva do ponto de vista de quem

não tem qualquer experiência no manuseamento com órgãos de máquinas em geral. Para o processo de

montagem procurou-se que existisse uma peça central que representa o coração da peça e a partir dela, à

medida que lhe são acoplados os restantes componentes, o dispositivo adquire a sua forma final.

A principal mais-valia do presente dispositivo será a capacidade de quantificar o valor máximo de

deslocamento angular ou linear associado a uma dada patologia em concreto na articulação do tornozelo. Tal

funcionalidade não existe atualmente pois como foi visto no subcapítulo 3.3 o único equipamento que existe

apenas poderá ser associado a um exame imagiológico de baixa precisão como a radiografia.

Como o dispositivo foi projetado para permitir uma amplitude 3,5 vezes superior ao valor normal para

os movimentos de translação, 2,6 vezes superior para o movimento de eversão e inversão e 1,8 vezes superior

para o movimento de rotação. Com isto poderão ser realizados testes para o processo de quantificação dos

valores poderá ainda estabelecer novos limites reais de funcionamento do dispositivo.

A necessidade de quantificação a que é feita referência não diz respeito apenas ao valor do

deslocamento mas também ao valor da força que é necessário aplicar para realizar um dado movimento do

pé. Embora para o processo de validação dos cilindros o cálculo da força a exercer se tenha baseado num dos

poucos estudos realizados atualmente possíveis de consultar, torna-se importante notar que este estudo foi

realizado com cadáveres podendo existir um alteração substancial quando aplicado a um Ser Vivo.

A aplicação no dispositivo do conceito de materiais celulares permite a associação da inovação médica

a uma inovação tecnológica o que aumentaria substancialmente o valor acrescentado do produto final no

contexto científico. O estudo computacional da capacidade de aplicação desse conceito não foi possível de

concretizar tendo em conta o tempo e os meios disponíveis tornando-se um trabalho interessante a realizar no

futuro. Contudo, a sua abordagem permitiu perceber que se for viável a sua aplicação do ponto de vista da


116

resistência estrutural, cada componente poderá alcançar uma redução de peso mínima de 50%, o que se torna

interessante para a redução de peso total e de custos do produto final.

Por outro lado, é necessário ter em atenção que a seleção da geometria a adotar deve ter em conta a

tecnologia de estruturas celulares é importante estar definida a tecnologia de adição que será utilizada, devido

à limitação da resolução na deposição de cada camada.

A especificação do material a utilizar prende-se também inevitavelmente com o processo de fabrico que

foi selecionado, pois como foi referido anteriormente, dos processos de fabrico que utilizam um polímero, quer

o que é utilizado atualmente como qualquer uma das técnicas de impressão tridimensional, possuem

especificações restritas quanto ao material a utilizar, que em geral são produzidos para essa aplicação. De

forma que as propriedades físicas e mecânicas do material se assemelhem ao do que é constituído o PKTD a

tecnologia de adição que aparenta ser a mais indicada será a moldação por extrusão de plástico, por trabalhar

com um termoplástico (tal como o PKTD) e por ser o processo menos lento, garantindo maior produtibilidade.

Relativamente à análise de custos foi possível concluir que uma técnica de redução de material apenas

se poderá tornar vantajosa na produção de médias ou grandes séries visto que é desperdiçado

aproximadamente 71,4% do material. Estas tecnologias têm ainda a desvantagem de não permitir a produção

de ocos, o que significa que o valor estimado para a quantidade de material necessária será superior ao que

está projetado atualmente.

Por fim, como o dispositivo de auxílio ao diagnóstico de patologias na articulação do tornozelo aqui

apresentado tem como principal objetivo tornar o processo de diagnóstico mais eficaz, é indubitável que, desta

forma, o processo de diagnóstico adquire condições mais vantajosas tanto para o doente como para os

profissionais de saúde, permitindo a realização de um diagnóstico com base num conjunto de informação mais

diversificado e preciso.

Como proposta de trabalhos futuros, o dispositivo de apoio ao diagnóstico de patologias no tornozelo

poderia ser associado a um sistema eletrónico capaz de registar os valores de deslocamento linear e angular

durante a realização de um exame, gerando uma base de dados que possibilitaria uma categorização

automática quantitativa de cada lesão. No entanto, como a integração desse sistema poderá não ser possível

no interior da sala de exame a única opção seria o sistema de controlo e registo estar no exterior da sala,

embora tal opção implicasse a existência de uma passagem dos tubos de ar e dos fios elétricos para o exterior,

podendo interferir com as normas de segurança aplicáveis atualmente.


117

Se o registo do valor a que o paciente é sujeito em cada teste fosse eletrónico o dispositivo tornar-se-ia

muito interessante pois poderia ser criada uma interface gráfica de leitura que incluiria um histórico dos valores

registados, o estudo dos dados (a variação dos valores) e a comparação com valores padrão, facilitando o

diagnóstico. A possibilidade de utilizar um sistema deste género, à parte da ressonância magnética, poderia

gerar um novo produto no mercado indicado para gabinetes de ortopedia.

Um outro possível trabalho associado ao dispositivo projetado seria a utilização de materiais

piezoelétricos que permitissem a medição e controlo dos esforços e deformações a que os componentes estarão

submetidos durante o seu funcionamento. Para essa aplicação, os sensores que se encontram presentes na

estrutura interior dos componentes seriam responsáveis pela quantificação do esforço que é necessário exercer

para realizar um determinado movimento, o que poderá também fazer parte da categorização de cada lesão.

Esse trabalho aplicaria ao presente projeto um conceito muito em voga atualmente, os materiais compósitos.


118

Projeto de um dispositivo médico para apoio ao diagnóstico de patologias no tornozelo Referências bibliográficas

119

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130

Projeto de um dispositivo médico para apoio ao diagnóstico de patologias no tornozelo Anexos

131

ANEXO A. GLOSSÁRIO


132


133

Glossário [3], [9], [111]

Anterior ou ventral Aplica-se para a frente do corpo quando está na posição ereta. Crónica De longa duração. Diástase Deslocação acidental de dois ossos contíguos por articulação. Distal O oposto a proximal e a parte mais distante da linha mediana, assim quando se

refere a coxa distal será no joelho, no final da coxa. Esqueleto apendicular Esqueleto dos membros superiores e inferiores e as suas cintas. Esqueleto axial Esqueleto da cabeça e do tronco. Inferior Na direção oposta à cabeça, ou a parte inferior do corpo humano. Lateral Mais afastado da linha mediana, por exemplo, o lado de fora do braço será a sua

face lateral, enquanto o lado interior é descrita como a face medial. Linha mediana Uma linha imaginária que percorre o centro do corpo a partir do centro do topo da

cabeça até aos pés dividindo o corpo em duas partes iguais, esquerda e direita. Medial Mais perto da linha mediana. Patológico Desvio em relação ao que é considerado normal do ponto de vista fisiológico e

anatómico e que constitui ou caracteriza uma doença. Posição anatómica A posição ortostática (ereta) do corpo humano com os braços dos estendidos ao

lado do tronco, com as palmas das mãos viradas para a frente, os calcanhares muito próximos, os dedos dos pés e as palmas das mãos também voltadas para a frente, a boca fechada e expressão facial neutra.

Posterior ou dorsal A parte de trás do corpo quando está na posição ereta. Proximal O termo de comparação aplicada às estruturas que se encontram mais perto do

centro do corpo ou da linha mediana, por exemplo, a coxa proximal é o fim da coxa que se encontra mais próximo do centro do corpo.

Superior Na direção da cabeça, ou na parte superior do corpo humano. Tibial Localização situada mais próxima da tíbia. Valgo Diz-se de um membro ou segmento de membro voltado para fora em relação ao

eixo do corpo. Varo Diz-se de um membro ou segmento de membro voltado para dentro em relação ao

eixo do corpo.


134


135

ANEXO B. EXCERTO DA FICHA TÉCNICA DO POLIACETAL

EXCERTO DA FICHA TÉCNICA DO MATERIAL DO CILINDRO, DA TAMPA E DO PISTÃO


136


141

ANEXO C. FICHA TÉCNICAS DO PTFE

FICHA TÉCNICA DO MATERIAL DO PARAFUSO E DA PORCA


142

(PTFE) Polytetrafluoroethylene

Physical Properties Metric English Comments

Density 2.15 - 2.3 g/cc 0.0777 - 0.0831 lb/in³ Apparent Bulk Density 0.36 - 0.91 g/cc 0.013 - 0.0329 lb/in³Water Absorption 0 - 0.03 % 0 - 0.03 % Linear Mold Shrinkage 0.01 - 0.058 cm/cm 0.01 - 0.058 in/in Mechanical Properties

Hardness, Rockwell R 58 58Hardness, Shore A 98 98Hardness, Shore D 50 - 59 50 - 59Tensile Strength, Ultimate 10 - 43 MPa 1450 - 6240 psi Tensile Strength, Yield 9 - 30 MPa 1310 - 4350 psi Elongation at Break 50 - 650 % 50 - 650 % Tensile Modulus 0.4 - 1.8 GPa 58 - 261 ksiFlexural Modulus 0.5 - 0.7 GPa 72.5 - 102 ksi Compressive Yield Strength 10 - 15 MPa 1450 - 2180 psi Poisson's Ratio 0.46 0.46 Shear Strength 5 MPa 725 psi Izod Impact, Notched 1.6 J/cm 3 ft-lb/in Izod Impact, Notched, Low Temp 0.8 J/cm 1.5 ft-lb/in Charpy Impact Unnotched NB NB Charpy Impact, Notched 0.5 J/cm² 2.38 ft-lb/in² Tensile Impact Strength 670 kJ/m² 319 ft-lb/in² Coefficient of Friction 0.06 - 0.1 0.06 - 0.1 Limiting Pressure Velocity 0.063 MPa-m/sec 1800 psi-ft/min Electrical Properties

Electrical Resistivity 1e+011 - 1e+018 ohm-cm 1e+011 - 1e+018 ohm-cm Surface Resistance 1e+011 - 1e+018 ohm 1e+011 - 1e+018 ohm Dielectric Constant 2.1 2.1 Dielectric Constant, Low Frequency 2.1 2.1 Dielectric Strength 18 - 105 kV/mm 457 - 2670 kV/in Dissipation Factor 0.0001 - 0.0003 0.0001 - 0.0003 Dissipation Factor, Low Frequency 0.0001 - 0.0003 0.0001 - 0.0003 Arc Resistance 300 sec 300 sec

Thermal Properties

CTE, linear -100°C 86 µm/m-°C 47.8 µin/in-°F CTE, linear 20°C 79 - 150 µm/m-°C 43.9 - 83.3 µin/in-°F CTE, linear 100°C 100 - 140 µm/m-°C 55.6 - 77.8 µin/in-°F CTE, linear 250°C 170 - 220 µm/m-°C 94.4 - 122 µin/in-°F Specific Heat Capacity 1.2 - 1.4 J/g-°C 0.287 - 0.335 BTU/lb-°F Thermal Conductivity 0.24 - 0.35 W/m-K 1.67 - 2.43 BTU-in/hr-ft²-°F Melting Point 330 °C 626 °F Maximum Service Temperature, Air 260 - 290 °C 500 - 554 °F Deflection Temperature at 0.46 MPa (66 psi) 73 °C 163 °F Deflection Temperature at 1.8 MPa (264 psi) 45 - 100 °C 113 - 212 °FMinimum Service Temperature, Air -200 °C -328 °FFlammability, UL94 V-0 V-0 Oxygen Index 95 % 95 %


145

ANEXO D. DESENHOS TÉCNICOS

VISTA EXPLIDIDA, LISTAGEM DE PEÇAS E DESENHOS 2D


146

123

4

5

6

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

1819

20

21

22

23

ITEM Nº Designação Qtd.

1 Base do Dispositivo 1

2 Apoio com ligação à base 2

3 Peça Central 1

4 Base do Suporte do Pé 1

5 Cilindro Pneumático 3

6 Encaixe para a Translação Anterior 1

7 Pistão do Cilindro 3

8 Tampa do cilindro 3

9 Suporte do Pé 1

10 Base de Rotação do Cilindro Pneumático 2

11 Suporte do Cilindro Pneumático 3

12 Manípulo de Selecção de Movimento 2

13 Roda dentada Rotação 1

14 Perno bloqueador 1

15 Suporte da Cremalheira Rot. 1

16 Cremalheira Cilindrica Rotação 1

17 Roda dentada Eversão/Inversão 1

18 Peça de ligação ao KTD 1

19 Suporte da Cremalheira Eversão 2

20 Cremalheira Cilindrica Eversão/Inversão 1

21 Pino bloqueador 2

22 Peça de Posicionamento do Suporte do Pé 2

23 Fixador da Fita Elástica 2

PATD.VEXP.1

09-2014

DesenhoProjeto

1:3Escala:

Vista Explodida do Porto Ankle Testing Device

Projeto Porto Ankle Testing Device Ana Rita Machado Ferreira

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia

Mecânica

Universidade do Minho09-2014

308

30 61

26

200

6

0

25

10

16

70

5 R11

82

8 1

5

63,4

63,

4

Base do Dispositivo

09-201409-2014

PATD.B.1

DataData

DesenhoProjeto

1:2Escala:

Projeto Porto Ankle Testing Device Ana Rita Machado Ferreira

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia

Mecânica

Universidade do Minho

13

2,5 5

R45

27

17,9

8,5

25

50,

2

Universidade do Minho Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia

MecânicaAna Rita Machado Ferreira

Projeto Porto Ankle Testing Device

Encaixe para Translação Anterior

Escala:

2:1

ProjetoDesenho

DataData

PATD.ETA.1

5

11 1

3

82 60

30 24

20

26

12

3




Base de Rotação do Cilindro Pneumático

Escala:

1:1

ProjetoDesenho

09-2014

PATD.BRCP.1

09-2014

60 54

25 17

11

10

10

10 20

14 8

12,

5

R7

R3 R3

9,5




Apoio com ligação à base

Escala:

2:1

ProjetoDesenho

DataData

PATD.AB.1

09-201409-2014

R7,5

8,

5

6

82

6

31,6

64,5 6

R9

73

64,

6




Manípulo de seleção de movimento

Escala:

1:1

ProjetoDesenho

DataData

PATD.MSM.1

09-201409-2014

111,4 102,8

40

6

69

11,1 5

R40

144

234

,6

10 31 64,4

5

107,5




Suporte do Pé

Escala:

1:2

ProjetoDesenho

DataData

PATD.SP.1

09-201409-2014

20 6

1

0

6

R5




Peça de Posicionamento do Suporte do Pé

Escala:5:1

ProjetoDesenho

DataData

PATD.PSP.1

09-201409-2014

3 9

60

R22,75

R27,75

3

65,

5 1

6,4

11,

4

5

30

39,

1

45,5




Suporte do Cilindro Pneumático

Escala:

1:2

ProjetoDesenho

DataData

PATD.SCP.1

09-201409-2014

6

10 16

32

10 8

R1

30

18 24

7

R1

R3




Fixador da fita elástica para a translação anterior

Escala:

2:1

ProjetoDesenho

09.2014

PATD.F.1

09.2014

40

R15

20

10

R3

4,5

2,5

120

80

10

10

25 15 4

R6

2,7




Peça Central

Escala:

1:1

ProjetoDesenho

DataData

PATD.PC.1

09-201409-2014

AA

B

B

120

18

11 5

A-A

249

9

18 43

46,

5

15

10

B-B




Base do Suporte do Pé

Escala:

1:2

ProjetoDesenho

09-2014

PATD.BSP.1

09-2014


171

ANEXO E. MODELOS DE ESTRUTURAS CELULARES

MODELOS DE ESTRUTURAS CELULARES


172

Estruturas disponíveis no software Materialise Magics

Nome: Body diagonals with nodes rounded

% Redução de volume: 54,09 %

Nome: Body diagonals with nodes


Nome: Cross


Nome: Cross-1


Nome: Cross-2

% Redução de volume: 95,62%

Nome: Cross-3


Nome: Cross-X


Nome: Cross-X_reenforced


Nome: Diamond 20% relative density


Nome: Diamond 30% relative density


Nome: Dode-Medium


Nome: Dode-Thick


Nome: Dode-Thin


Nome: G_structure10


Nome: G_structure2


Nome: G_structure3


Nome: G_structure4


Nome: G_structure6


Nome: G_structure7


Nome: G_structure8


Nome: G_structure9


Nome: Octet truss relative density 30%


Nome: Rhombi_Octa-Dense


Nome: Rhombi_Octa-Light


Nome: Rhombic dodecahedron relative density 20%


Nome: Rhombic dodecahedron relative density 30%


Nome: Trunc_Octa-Dense

% Redução de volume:

75,65 %


179

ANEXO F. FICHA TÉCNICA DE UMA RESINA DE POLIURETANO

FICHA TÉCNICA DO MATERIAL DO PKTD


180

LieuDit Ferme de L’Evêché – BP20308

60723 Pont-Sainte-Maxence CEDEX

France

Tél. :03 44 31 72 00 - Tél. international :+33 3 44 31 72 00

Fax : 03 44 31 78 50 - Fax international :+33 3 44 31 78 50

E-mail : [email protected]

http://www.synthene.com

The information contained in this data sheet is based on research and tests conducted in our laboratories under precise conditions. This document is not to be taken as a specification sheet. It is the user’s responsibility to determine the suitability of the product for his application under his own conditions. SYNTHENE disclaims all responsibility for consequences following the use of this product. PR 403 - 1503/FT/UK/Version 2 / 18-09-07

PR 403 / PR 1503 Technical Data Sheet

REFERENCES

PART A Polyol : PR 403 P (SH 105000) / PR 1503 P (SH 115000) PART B Isocyanate : PR 403/1503 I (SH 000170)

DEFINITION Two-component polyurethane resin for vacuum- or hand-casting. The 2 products have different reactivity but they both give a polymerised material with the same properties. The polyols can be associated in order to modify the reactivity of the mixing without moving the other properties. Polystyrene shock prototype. For electrical or electronical applications, PR1503 is RoHS suitable. AVERAGE PHYSICAL PROPERTIES OF THE COMPONENTS PR 403 P / PR 1503 P

SH 105000 / SH 115000 PR 403/1503 B

SH 000170 Mix

SH 105170 / SH 115170

Aspect – Color Translucid liquid Amber Liquid Milky liquid White solid

Brookfield viscosity 25°C LVT mPa.s

According to MO-051 320 55 160

Density 25°C According to MO-032 1.01 1.16 1.10

Weight mixing ratio 60 100 PROCESS DATA

Stir well the two parts before use.

PR 403 (SH 105 170)

PR 1503 (SH 115 170)

Reactivity on 200g at 25°C According to MO-062 5 min 15 min Demoulding at 25°C - 3 mm in thickness According to MO-116 approx. 1h approx. 4 h

Demoulding at 70°C - 3 mm in thickness According to MO-116 approx. 20 min approx. 45 min

Complete hardening time at 25°C approx. 24 h approx. 4 days AVERAGE MECHANICAL AND THERMOMECHANICAL PROPERTIES OF SOLID PART Hardness (Shore D1) ISO 868 : 2003 74 HdT (1) ISO 75 Ae : 1993 75 °C Flexion modulus (1) ISO 178 : 2001 1700 MPa Maximal flexural strength (1) ISO 178 : 2001 65 MPa Tensile modulus of elasticity (1) ISO 527 : 1993 1850 MPa Elongation at break in tension (1) ISO 527 : 1993 6 % Tensile strength at break (1) ISO 527 : 1993 47 MPa Linear shrinkage ( 3 mm thickness) at 23°C (mm/m) ISO 2575 2 Charpy impact strength (1) ISO 179 : 1994 35 kJ.m² Maximal casting thickness 10 mm (1)Data are measured on samples after post-curing : 2h at 70°C and 48 h at room temperature

LieuDit Ferme de L’Evêché – BP20308

60723 Pont-Sainte-Maxence CEDEX

France

Tél. :03 44 31 72 00 - Tél. international :+33 3 44 31 72 00

Fax : 03 44 31 78 50 - Fax international :+33 3 44 31 78 50

E-mail : [email protected]

http://www.synthene.com

The information contained in this data sheet is based on research and tests conducted in our laboratories under precise conditions. This document is not to be taken as a specification sheet. It is the user’s responsibility to determine the suitability of the product for his application under his own conditions. SYNTHENE disclaims all responsibility for consequences following the use of this product. PR 403 - 1503/FT/UK/Version 2 / 18-09-07

Safety for using :

For information, read the medical and safety data sheet of the product. Processing conditions in vacuum casting machine :

Moulds are pre-heated at 70°C.

Stir well the products. Weigh the isocyanate part in the upper pot (do not forget the residue when pouring). Weigh the polyol part in the lower pot (mixing pot). After 10mn of vacuum, pour the isocyanate part in the polyol and mix to reach total and perfect homogeneity (approx 50 to 60 sec). Pour in the silicone mould. Put the mould in an oven at 70°C. Demoulding after approximately 20 minutes for PR 403, or approximately 45 minutes for PR 1503, according to thickness, post-curing is necessary to reach maximal characteristics. For big parts, it could be better to hold the part to prevent it from loosing shape. REACTIVITY MODIFICATION BY PRE-MIXING OF THE POLYOL PARTS PR403-P AND PR1503-P

If modified reactivity is needed, pre-mix the polyol parts of PR403 and PR1503 as following the table hereunder. The mixing ratio with the isocyanate part stays the same.

PR 403 A PR 1503 A PR 403/1503 B Pot-life

60 0 100 5 min

40 20 100 7 min

30 30 100 8 min 30 s

20 40 100 10 min

Reactivity on 160g at 25°C (weight ratio)

0 60 100 15 min

PACKAGING :

- Parcel of 2 kits of (3.0 + 5.0) kg

STORAGE : 9 months in original and unopened cans stored between 15 and 25°C. Note : During a long storage of SH 000170 at temperature under 15°C, the product can cristallise. Après étuvage à 40 – 50°C et homogénéisation, le produit est de nouveau utilisable.


183

ANEXO G. AVALIAÇÃO GEOMÉTRICA DO CILINDRO

RESULTADOS DOS TESTES DE CILINDRICIDADE E COAXIALIDADE DOS CILINDROS


184

Projeto de um dispositivo médico para apoio ao diagnóstico...

Documents

Transcript of Projeto de um dispositivo médico para apoio ao diagnóstico...