Estudo, desenvolvimento e concepção de um dispositivo para reabilitação do sistema articular superior

Abstract

O presente trabalho tem como principal objectivo a concepção e desenvolvimento de um dispositivo de reabilitação do sistema articular superior e sua consequente aplicação em pacientes vítima de acidente vascular cerebral (AVC). Durante a realização deste projecto, as práticas de reabilitação convencionais foram minuciosamente analisadas durante quatro meses, através de um estágio realizado no serviço de Fisiatria e Reabilitação Motora do Hospital da Prelada (Porto). Neste estágio verificou-se que a mecânica de Fisioterapia utilizada visa não só o ganho de funcionalidade motora (força, amplitude e resistência), mas também é estimulada a realização de actividades didácticas, cujas trajectórias simulam movimentos de independência de actividades do dia-a-dia. Para além do descrito, verificou-se também que os maiores ganhos na função motora ocorrem no primeiro mês da reabilitação, com alguns melhoramentos significativos nos restantes meses. Deste modo, com base nos pressupostos anteriores, foi projectado e construído um dispositivo estático composto por três blocos principais que estão solidários a um sistema de calhas que permite o ajuste do equipamento a diferentes indivíduos, com diferentes perfis antropométricos, dotando este equipamento de uma importante característica: a Universalidade de utilização. Este dispositivo permite também a realização de determinadas posturas estáticas que beneficiam a recuperação. É ainda possível a sua instalação em cadeiras de rodas, camas de hospitais e cadeirões, podendo esta ortótese acompanhar todo o ciclo de reabilitação do doente, ao longo do dia. Assim, para a projecção do dispositivo foi necessário realizar a modelação do mesmo no programa de modelação (CAD) Solid Works, onde foram dimensionada a geometria ideal para a ortótese e o sistema de calhar que permitisse leveza ao dispositivo mas não descurando a robustez de funcionamento. Após validação da ortótese obtida através da construção de um protótipo, foi projectado um molde para injecção de poliuretano, correspondente aos três componentes principais, permitindo a produção em grande escala e independente de cada parte da ortótese. Em relação à produção do protótipo apresentado neste trabalho recorreu-se à fresadora e ao torno mecânico para a construção do sistema de calhas em alumínio, e para a construção da ortótese, recorreu-se à escavação manual em madeira de forma a obter-se a parte superior do dispositivo que encaixa sobre o rasgo destinado à inserção de calhas. Devido à escassez de tempo (projecto realizado em menos de 6 meses), à grande complexidade deste trabalho, aos muitos testes realizados (de simulação e clínicos), à projecção e construção de um molde para produção em larga escala, e ao planeamento de uma estratégia de comercialização (que prevê, estudo e análise de parâmetros como prova de evidencia clínica, avaliação de sistema regulamentar, análise de investimento, avaliação de critérios de produção e de retorno e a elaboração de um modelo de negócios), todo este trabalho foi realizado em parceria com o aluno João Maria de Lacerda Cardoso, número mecanográfico 50719, sendo o trabalho por mim realizado, e o trabalho com o título “Dispositivo de reabilitação do sistema articular superior: do desenvolvimento ao plano de negócios” são de certa forma complementares e somente a junção dos dois permite ter uma história completa do desenvolvimento destes dois dispositivos (ortótese estática para correcção postural e RYROM dinâmico para reabilitação do membro superior). Realçaria ainda que alguma da informação deste trabalho pode também ser encontrada no trabalho anteriormente referido, dado que o contexto do tema é análogo. Apesar da grande aceitação, por parte dos Profissionais de Saúde, do dispositivo estático constatou-se que a reabilitação através de movimentos precisos, orientados para determinadas tarefas, repetitivos e intensivos possibilitava atingir resultados muito mais satisfatórios, e em menor de tempo, no que toca à recuperação da funcionalidade do sistema articular superior em pacientes de AVC. Mais precisamente, verificou-se (por observação directa e através da análise da literatura mais actual) que seria possível executar os movimentos descritos anteriormente através de uma terapia robotizada, que tivesse um funcionamento muito amplo e com diversos modos (activo, passivo, assistência quando necessário, contra resistência, etc). Neste sentido, rapidamente foi iniciado o estudo técnico de um possível melhoramento do dispositivo inicial, para um sistema totalmente robotizado e interactivo, através do emparelhamento com a tecnologia da consola Wii da Nintendo®. Desta forma e em apenas 6 meses, surgiu assim um novo e aliciante projecto dentro do já existente. Foi de imediato iniciado o trabalho neste novo equipamento, tendo sido realizado um exaustivo levantamento de vários componentes que podiam ser utilizados na construção do mesmo, nomeadamente: motores eléctricos, controladores, componentes e órgãos mecânicos, cálculo estrutural, etc. Estudou-se pormenorizadamente e um a um todas estas alternativas e por fim (com a ajuda do Professor Eurico Seabra e do Professor Luís Ferreira da Silva), seleccionaram-se os que reuniam as melhores condições de binário, resistência, fiabilidade, tempo de vida, material, potência (no caso de motores), sobreaquecimento, etc. É importante salientar que para além do descrito, foram também estudadas as diferentes juntas do membro superior, quer a nível de tipo de movimentos que este executa quer a nível de amplitudes de cada um desses movimentos, de forma a emparelhar estas trajectórias, com a ergonomia do dispositivo que estava já a ser projectado. Por fim, foram também analisados os pontos fracos do dispositivo estático produzido e apresentaram-se propostas para futuros melhoramentos, no caso de se avançar para a produção em série (foi realizada uma análise de risco em termos técnicos).

The present work has the main objective of study the design and development of a device for rehabilitation of the upper joint system in patients with stroke. The current rehabilitation practices were analyzed for four months through an internship on the service of physiatry and physical rehabilitation of Prelada hospital, where it was found that these have much impact on reducing the impact of the loss of motor control and loss of independence on daily living. This fact becomes the recovery of motor control a secondary objective, unless it interferes with the independence. In addition to the described, it was also verified that biggest gains in motor function occur in the first months of rehabilitation, with some significant improvements in the remaining months. Thus, based on the assumptions above, was designed and built a static device composed of three main components that are based on a aluminium rail system that allows adjustment of the equipment to different individuals, the performance of certain postures that benefit the restoration of upper arm functionality and the incorporation in wheelchairs. Thus for the projection of the device it was necessary to perform its modeling, as a whole, in the modeling program Solid Works as well as a cast for polyurethane injection corresponding to the three main components, allowing large-scale production. However, in relation to production of the prototype presented in this work, itself, we resorted to the machining of rails and hand excavation constituents of wood in order to get to the top of the device that sits on the rails. Despite the wide acceptance, by health professionals, of the static device, throughout the period of probation found that rehabilitation through precise movements oriented to specific tasks, repetitive and intensive enables to achieve more satisfactory results, in shorter time, regarding the recovery of the functionality of the upper joint system in patients with stroke. More precisely, it was found that it`s possible to perform the movements described above using a robot-assisted therapy. In this sense, was quickly initiated a technical study of a possible up-grade of the initial device to a fully robotic and interactive device, by pairing with the technology of the Wii console from Nintendo®. It was executed a survey of several motors and mechanical components that can be applied to a device of this type to perform the desired movements, studied in detail one by one, and finally, selected those that best fulfilled the conditions of resistance, reliability, time of life, material, power (for electric motors), overheating, etc. Importantly, in addition to the one described, it was also studied the different joints of the upper limb, both in terms of type of movement that wants to perform and the level of amplitudes of each of these movements in order to best match with the potential of mechanical components and motors studied. Finally, the weaknesses of the static device produced were analyzed and were presented some proposals for future improvements, in the case of series production.