Órtese dinÂmica com acionamento … · fig. 2 – teste de força do motor cálculo da abertura...

ÓRTESE DINÂMICA COM ACIONAMENTO ELETROMECÂNICO PARA MEMBRO SUPERIOR QUE RESTAURA MOVIMENTOS DA MÃO E

COTOVELO: TESTES PRELIMINARES

Fernanda Márcia Rodrigues Martins Ferreira

Laboratório de Bioengenharia, Universidade Federal de Minas Gerais

Maria Emília Abreu Chaves

Laboratório de Bioengenharia, Universidade Federal de Minas Gerais

Daniel Neves Rocha

Controle e Processos Industriais, Instituto Federal de Minas Gerais

Adriana Maria Valladão Novais Van Petten

Departamento de Terapia Ocupacional, Universidade Federal de Minas Gerais

Claysson Bruno Santos Vimieiro

Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais

e Departamento de Engenharia Mecânica, Pontifícia Universidade Católica de

Minas Gerais

Marcos Binotti Barbosa (In Memorian)

Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais

Autor para correspondência: Fernanda Ferreira. Endereço: Av. Pres. Antônio

Carlos, 6627 - Pampulha, Belo Horizonte, MG. Telefone: (31) 3409-6677. E-

mail: [email protected]

RESUMO

Indivíduos com comprometimento de membro superior apresentam limitações

motoras que interferem na capacidade de realizar de forma independente as

atividades de vida diária, comprometendo a funcionalidade e afetando a

participação social e qualidade de vida. Uma alternativa de reabilitação é a

terapia assistida por robô, uma abordagem que usa prática intensiva, repetitiva,

interativa e individualizada como estratégia eficiente para melhorar a

aprendizagem motora. O presente estudo consiste no desenvolvimento e

validação em laboratório de uma órtese dinâmica robótica de membro superior

9º Congresso Latino-Americano de Orgãos Artificiais e Biomateriais13º Congresso da Sociedade Latino Americana de Biomateriais, Orgãos Artificiais e Engenharia de Tecidos - SLABO

24 a 27 de Agosto de 2016, Foz do Iguaçu, PR

219

para reabilitação de cotovelo e mão. Foi observado o adequado funcionamento

da órtese em laboratório no teste de força e angulação. Contudo, faz-se

necessário ajuste no módulo mão.

Palavras-chave: órtese dinâmica, reabilitação, acidente vascular encefálico,

tecnologia assistiva.

INTRODUÇÃO

Segundo a Organização Mundial de Saúde, um Acidente Vascular

Encefálico (AVE) é um déficit neurológico súbito decorrente de uma lesão

vascular(1). É a terceira maior causa de morte na população adulta no mundo

(aproximadamente 16 milhões de óbitos ao ano) e uma das principais causas

de incapacidade a longo prazo(2). Dados provenientes de estudo prospectivo no

Brasil, indicam incidência anual de 108 casos por 100 mil habitantes, sendo a

primeira causa de morte (cerca de 100 mil óbitos ao ano)(3).

De acordo com a localização, amplitude e gravidade da lesão, o AVE

acarreta uma variedade de deficiências motoras, sensoriais e cognitivas(4).

Comprometimento das funções motoras de membro superior são as mais

comuns e afetam cerca de 50-70% dos pacientes na fase aguda(5,6) e 40% na

fase crônica(7,8,9). Essas alterações interferem na capacidade de realizar de

forma independente as atividades de vida diária (AVD), comprometendo a

funcionalidade e afetando a participação social e qualidade de vida(9,10).

Os resultados de uma revisão sistemática envolvendo 123 ensaios

clínicos randomizados por Van Peppen e colaboradores(11) demonstram que

intervenções de reabilitação mais eficazes são aquelas que fornecem

treinamento precoce, intensivo, prática repetitiva de tarefas funcionais

específicas e treinamento significativo. Contudo, observa-se que os programas

convencionais de reabilitação para recuperar a função do membro superior

apresentam resultados limitados. Esses proporcionam intervenções

inadequadas em termos de intensidade e frequência necessária para

reaprender habilidades motoras. Além disso, os programas convencionais de

reabilitação requerem interações terapeutas e pacientes um para um,

protocolos de tratamento com terapia diária durante várias semanas, sendo



220

que aqueles que exigem elevada intensidade são dispendiosos para os

pacientes(12,13,14).

Devido a essas dificuldades de reabilitação em AVE, pesquisadores viram

uma oportunidade de criar novas técnicas e dispositivos tecnológicos para

melhorar a eficácia e efetividade do tratamento, auxiliando na recuperação da

função motora de membro superior. Uma alternativa é a terapia assistida por

robô, ou seja, Robot-Assisted Therapy (RT). Trata-se de uma abordagem

inovadora para a reabilitação que usa prática intensiva, repetitiva, interativa e

individualizada como uma estratégia eficiente para melhorar a aprendizagem

motora(14,15). Dispositivos robóticos são capazes de fornecer informações mais

consistentes, medindo parâmetros cinemáticos e dinâmicos durante o

movimento do membro do paciente (velocidade, tempo, direção, força e

amplitude de movimento). Dessa forma, esses dispositivos permitem avaliar os

indicadores de desempenho e o progresso do paciente com maior

confiabilidade e precisão(16,17). Além disso, permitem que a carga de trabalho

do terapeuta seja atenuada possibilitando que os pacientes realizem o

treinamento de forma mais independente, com menor supervisão do

profissional(18). Assim, a terapia robótica pode representar um complemento

bem-sucedido para programas de reabilitação pós-AVE multidisciplinares,

podendo alcançar maiores ganhos no tratamento de reabilitação(9,18).

Estudos sobre robótica de reabilitação têm crescido rapidamente e o

número de robôs com fins terapêuticos expandiu-se sobremaneira durante as

duas últimas décadas(19,20). Trabalhos na literatura demonstram melhora

significativa na função motora do membro superior, principalmente as

articulações de ombro e cotovelo, após uso de RT. Contudo, poucos estudos

desenvolveram e avaliaram o uso de dispositivos robóticos aplicados a

reabilitação das articulações de (punho e mão). Somado a isso, a maioria dos

dispositivos possuem alto custo, são robustos, com peso elevado, difíceis de

transportar, interferindo sobremaneira na capacidade de realizar as atividades

de vida diária, limitando, portanto, sua aplicação(21).

Diante dessa necessidade, foi desenvolvido no Laboratório de

Bioengenharia (LABBIO) da Universidade Federal de Minas Gerais um nome

modelo de órtese para reabilitação de membro superior, capaz de melhorar a



221

execução das atividades cotidianas de pessoas que apresentam

comprometimento de membro superior decorrente de AVE.

Frente a esse contexto, este trabalho tem como objetivo realizar testes

experimentais preliminares para validação do protótipo da órtese dinâmica com

acionamento eletromecânico para reabilitação de cotovelo e mão.

MATERIAIS E MÉTODOS

A órtese dinâmica com acionamento eletromecânico para reabilitação de

cotovelo e mão ( Figura 1) compreende um conceito inovador por apresentar

uma solução eletromecânica com estrutura modular e ajustável, em material

leve, resistente e de baixo custo. O equipamento realiza passivamente os

movimentos de flexão e extensão dos dedos (articulações

metacarpofalangeanas e interfalangeanas dos dedos 2º ao 5º) e flexão e

extensão da articulação do cotovelo.

Fig. 1 – Protótipo da Órtese dinâmica de membro superior

Foi realizado um estudo exploratório para validação do protótipo a fim de

verificar o funcionamento da parte biomecânica garantindo aos usuários o uso

seguro do equipamento. Os testes com a órtese foram realizados no

Laboratório de Bioengenharia da Escola de Engenharia da Universidade

Federal de Minas Gerais (UFMG) por meio de simulações numéricas e testes

de bancada.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Teste de força do motor



222

Foi definido o dimensionamento da estrutura mecânica e do torque

mínimo exigido ao atuador para produzir movimentos de extensão e flexão do

cotovelo. Para isso, a órtese foi fixada em uma bancada com antebraço em

posição neutra (entre pronação e supinação) de forma que os objetos

segurados ficassem suspensos. Foi adicionada uma massa a uma distância de

130 milímetros do centro (Figura 2). Os pesos foram calibrados com uma

balança de precisão e observou-se que a órtese foi capaz de suportar uma

carga de 2,600Kg (3,3124 N/m). Esta força foi utilizada como parâmetro, pois

representa a resistência mecânica do membro superior humano(22).

Fig. 2 – Teste de força do motor

Cálculo da Abertura Angular da Órtese

Foi definido o ângulo máximo e mínimo de flexão da articulação do

cotovelo considerando a amplitude de movimento necessária para realizar

atividades básicas de vida diária (ABVDs), ou seja, atividades relacionadas ao

autocuidado. Segundo Lathan e Radomski(23) a faixa de 10 a 140°de flexão

permite realizar uma elevada gama de atividades funcionais (Tabela I). Dessa

forma, optou-se por essa angulação, possibilitando um arco de movimento livre

de 130º.

Tabela I – Ângulo de Movimento de flexão de cotovelo (Radomski e Latham,

2013)



223

Amplitudes máximas de flexão de cotovelo (0 – 150°) foram evitadas para

impedir stress excessivo na articulação e nas estruturas ligamentares. Duas

chaves de fim de curso, ajustáveis manualmente, foram fixadas na órtese para

limitar o movimento entre os ângulos máximo e mínimo (Figura 3).

Fig. 3- Chaves de fim de curso para limitar ângulo máximo e mínimo de

flexão.

Foram realizados testes para verificar o funcionamento da órtese em cada

variação angular e calculado o ângulo referente a cada medida utilizando a

ferramenta de medição do Photoshop. Todas as angulações funcionaram

corretamente, exceto quando a chave de fim de curso foi posicionada na última

configuração (Figura 4).



224

Fig. 4 – Posição da chave de fim de curso que não funciona corretamente.

Contudo, esse ângulo ultrapassa o máximo e mínimo estabelecido, então

não terá utilidade. O arco de movimento de 130° foi atingido tanto na abertura

quanto no fechamento da órtese (Figuras 5 e 6), assim como proposto

inicialmente.

Fig. 5 – Ângulo de abertura da órtese (extensão do cotovelo)



225

Fig. 6 – Ângulo de fechamento da órtese (flexão do cotovelo)

Teste do módulo mão O módulo mão é composto por uma luva de neoprene e linhas de nylon

(tendões artificiais) para realizar o movimento de extensão dos dedos. Após o

teste na mão do pesquisador, foi constatado que os tendões estavam

provocando uma hiperextensão das articulações metacarpofalageanas e

interfalangeanas (Figura 7). Assim, observa-se a necessidade de pensar uma

nova proposta para o módulo mão.

Fig.7 – Módulo mão



226

CONCLUSÕES

A partir dos testes com o protótipo da órtese dinâmica foi possível

constatar a aplicabilidade e a funcionalidade do dispositivo proposto, visto que

o mesmo desempenhou os comandos desejados, ou seja, a estrutura

reproduziu e executou os movimentos atendendo ao objetivo de angulação

esperada com uma força adequada. Contudo, o módulo mão apresentou

falhas, sendo necessário obter uma nova proposta que garanta uma execução

do movimento o mais próximo do fisiológico, visando a segurança do usuário.

Após ajustes necessários estudos futuros são fundamentais para

validação do equipamento em indivíduos com perda da função motora de

membro superior possibilitando o engajamento independente em atividades

diárias, de lazer e vocacionais, melhorando sua auto-estima e qualidade de

vida.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP)

pelo apoio financeiro e ao professor Marcos Pinotti Barbosa (in Memorian), o

idealizador deste projeto.

REFERÊNCIAS

1. World Health Organization (2006). WHO STEPS Stroke Manual: The WHO

STEP wise approach to stroke surveillance. Geneva, World Health

Organization.

2.Portal Brasil. Governo Federal Brasil. 2012. Disponível em:

http://www.brasil.gov.br/saude/2012/04/acidente-vascular-cerebral-avc. Acesso

em: 22 maio 2016.

3. Brasil. Ministério da Saúde. Secretaria de Atenção à Saúde. Departamento

de Ações Programáticas Estratégicas. Diretrizes de atenção à reabilitação da

pessoa com acidente vascular cerebral / Ministério da Saúde, Secretaria de

Atenção à Saúde, Departamento de Ações Programáticas Estratégicas. –

Brasília: Ministério da Saúde, 2013. 72p.



227

4. Langhorne P, Bernhardt J, Kwakkel G. Stroke rehabilitation. Lancet. 2011;

377:1693–1702.

5. Nakayama H, Jorgensen HS, Raaschou HO, Olsen TS. Recovery of upper

extremity function in stroke patients: the Copenhagen Stroke Study. Arch Phys

Med Rehabil. 1994;75 (4):394–8. doi: 10.1016/0003-9993(94)90161-9.

6. Persson HC, Parziali M, Danielsson A, Sunnerhagen KS. Outcome and

upper extremity function within 72 hours after first occasion of stroke in an

unselected population at a stroke unit: a part of the SALGOT study. BMC

Neurol. 2012;12:162. doi: 10.1186/1471-2377-12-162.

7. Broeks JG, Lankhorst GJ, Rumping K, Prevo AJ. The long-term outcome of

arm function after stroke: results of a follow-up study. Disabil Rehabil.

1999; 21(8):357-64.

8. Parker VM, Wade DT, Langton HR. Loss of arm function after stroke:

measurement, frequency, and recovery. Int Rehabil Med. 1986; 8(2):69-73.

9. Prange, Gerdienke B; Jannink, Michiel J. A; Groothuis-Oudshoorn, Catharina

G. M.; Hermens, Hermie J; IJzerman, Maarten J. Systematic review of the effect

of robot-aided therapy on recovery of the hemiparetic arm after stroke. Journal

of Rehabilitation Research & Development. Volume 43, Number 2, Pages 171–

184 March/April 2006

10. Nichols-Larsen DS, Clark PC, Zeringue A, Greenspan A, Blanton S. Factors

influencing stroke survivors' quality of life during subacute recovery. Stroke.

2005; 36(7):1480-4.

11. Van Peppen RP, et al. The impact of physical therapy on functional

outcomes after stroke: what's the evidence? Clin Rehabil 2004; 18(8): 833-62.

12. Volpe BT, Ferraro M, Krebs HI, Hogan N. Robotics in the rehabilitation

treatment of patients with stroke. Curr Atheroscler Rep. 2002;4(4):270–76

13. Lum P, Reinkensmeyer DJ, Mahoney R, Rymer WZ, Burgar C. Robotic

devices for movement therapy after stroke: current status and challenges to

clinical acceptance. Top Stroke Rehabil. 2002;8(4):40–53

14. Sivan M, O'Connor RJ, Makower S, Levesley M, Bhakta B. Systematic

review of outcome measures used in the evaluation of robot-assisted upper limb

exercise in stroke. J Rehabil Med. 2011;43:181–189.



228

15.Brewer BR, McDowell SK, Worthen-Chaudhari LC. Poststroke upper

extremity rehabilitation: a review of robotic systems and clinical results. Top

Stroke Rehabil.2007;14:22–44

16. Norouzi-Gheidari, Nahid; Archambault, Philippe S.; Fung,Joyce. Effects of

robot-assisted therapy on stroke rehabilitation in upper limbs: Systematic review

and meta-analysis of the literature. JRRD, Volume 49, Number 4, 2012

17. Masiero, Stefano; Celia, Andrea; Rosati, Giulio; Armani, Mario. Robotic-

Assisted Rehabilitation of the Upper Limb After Acute Stroke. Arch Phys Med

Rehabil Vol 88, February 2007

18. Poli, Patrizia ; Morone, Giovanni; Rosati, Giulio; Masiero, Stefano. Robotic

Technologies and Rehabilitation: New Tools for Stroke Patients’ Therapy.

BioMed Research International. Volume 2013 (2013), Article ID 153872, 8

pages

19. Stein J. Robotics in rehabilitation: technology as destiny. Am J Phys Med

Rehabil. 2012;91:S199–S203.

20. Chang WH, Kim MS, Huh JP, Lee PK, Kim YH. Effects of robot-assisted gait

training on cardiopulmonary fitness in subacute stroke patients: a randomized

controlled study. Neurorehabil Neural Repair. 2012;26:318–324.

21. ARAÚJO, R. C. Desenvolvimento e avaliação de um sistema de auxílio a

reabilitação motora do membro superior após acidente vascular encefálico .

2011. 117f. Dissertação (Doutorado em Bioengenharia). Escola de Engenharia

da Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2011.

22. Plagenhoef, S., Evans, FG e Abdelnour, T. (1983) dados anatômicos para a

análise de movimento humano. Pesquisa trimestral para exercício e esporte 54,

169-178.

23. Latham, Catherine A. Trombly; Mary Vining,Radomski.Terapia Ocupacional

Para Disfunções Físicas - 6ª Ed. Editoria Livraria Santos 2013

ELECTROMECHANICAL DYNAMIC ORTHOSIS FOR UPPER LIMB TO

RESTORE MOVEMENTS OF HAND AND ELBOW: PRELIMINARY TESTS

ABSTRACT



229

http://www.hindawi.com/51267040/



Individuals with upper limb impairment have mobility limitations that

interfere with the ability to independently carry out activities of daily life,

compromising the functionality and affecting social participation and quality of

life. A rehabilitation alternative is assisted therapy robot an approach that uses

intensive, repetitive, interactive and individualized practice as an effective

strategy to improve motor learning. This study is the development and validation

in laboratory an orthosis dynamic robotic upper limb to the elbow and hand

rehabilitation. It was observed the proper functioning of the orthosis in the

laboratory strength testing and angulation, however it appears necessary to

adjust the hand module.

Key-words: orthosis, rehabilitation, stroke, assistive technology



230

Órtese dinÂmica com acionamento … · fig. 2 – teste de força do motor cálculo da abertura...

Documents