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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Escola Superior de Arte e Design

Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para a

Aquisição e Análise do Movimento Mandibular

Isa Cristina Teixeira Santos

Dezembro de 2005

Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para a

Aquisição e Análise do Movimento Mandibular

Dissertação submetida para efeito de atribuição do grau de Mestre em Design Industrial pela Universidade do Porto

Isa Cristina Teixeira Santos

Licenciada em Engenharia Mecânica pela Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (2003)

Dissertação realizada sob a supervisão de:

Prof. João Manuel R. S. Tavares (Orientador) Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Prof. Joaquim Gabriel Mendes (Co-Orientador) Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Prof. Manuel Pedro da Fonseca Paulo (Co-Orientador) Professor Associado da Faculdade de Medicina Dentária da Universidade do Porto

i

Agradecimentos

Gostaria de agradecer aos meus orientadores, o Prof. João Tavares, o Prof.

Joaquim Mendes e ao Prof. Manuel Paulo, pela disponibilidade e pelo apoio

dispensado na realização deste trabalho.

Agradeço ao Prof. Fernando Martins pelo apoio dado na implementação do

algoritmo de redes neuronais.

Ao Eng. Rui Neto e ao CETECOFF – Unidade de Fundição e Novas Tecnologias

(INEGI) agradeço pela realização dos protótipos e à Investigadora Principal Teresa

Restivo (FEUP-DEMEGI) pela disponibilização do “Laboratório de Instrumentação

para Medição” para a realização das medições experimentais.

Agradeço à Rhopoint Components LTD (Inglaterra) pelo envio dos sensores

utilizados neste trabalho e à Ningbo Ketian Magnet CoLtd (China) pelo envio de

ímanes.

Também agradeço à Ana Pereira, ao Bruno e ao Artur pela ajuda.

Para terminar, quero agradecer à minha família e aos meus amigos pelo

incentivo e pela ajuda nas pequenas e nas grandes coisas.

iii

Resumo

Esta Dissertação relata o desenvolvimento de um sistema protótipo para a

aquisição e análise do movimento mandibular 3D.

Em Medicina Dentária, o estudo do movimento mandibular revela-se de grande

importância no desenvolvimento de trabalhos de reabilitação oral, pois permite

determinar se existem ou não patologias ao nível da articulação

temporomandibular, possibilitando a realização de diagnósticos e a elaboração de

planos de tratamento adequados.

Neste trabalho, numa primeira fase, foi feito um estudo sobre a anatomia

dentária e o funcionamento da articulação temporomandibular para melhor

compreender o problema em questão.

Em seguida, foi realizado um levantamento dos vários sistemas existentes para

a aquisição do movimento para conhecer as suas vantagens e limitações.

Finalmente, optou-se por adaptar um arco facial comum em Medicina Dentária

de modo a usar sensores electromagnéticos para fazer a aquisição do movimento.

Algumas peças do arco facial seleccionado foram redesenhadas de modo a garantir

o conforto dos pacientes durante os exames, e foi desenvolvido um suporte

específico para os sensores.

Para visualizar e analisar o movimento 3D adquirido num computador pessoal

foi desenvolvida uma aplicação computacional em LabVIEW. Para converter em

coordenadas cartesianas a tensão dada pelos sensores electromagnéticos foi criado

o “algoritmo do ponto mais próximo” e foram também utilizadas redes neuronais.

Ao desenvolver o sistema protótipo procurou-se adoptar um processo de

desenvolvimento de produto estruturado: foram identificadas as “necessidades dos

clientes” (os médicos dentistas), foram definidas as especificações do produto,

foram definidos conceitos e a arquitectura do mesmo, e foram desenvolvidos e

testados protótipos. Também foram estimados os custos de produção do protótipo

desenvolvido.

v

Abstract

This thesis presents the development of a prototype system for the acquisition

of the 3D mandibular movement.

In Dental Medicine, the study of the mandibular movement is very important in

the development of oral rehabilitation treatments because it allows to determine if

exists or not pathologies in the temporomandibular joints, allows the diagnostic

and the elaboration of adequate treatment plans.

In this project, in an early stage, it was made a study about dental anatomy

and the functioning of the temporomandibular joint to better understand the

problem. Were also identified some of the existing systems for the acquisition of

the mandibular movement to know there advantages and limitations.

Finally, it was chosen to adapt a common facial arc in Dental Medicine to use

electromagnetic sensors to acquire the movement. Some parts of the facial arc

were redesigned in order to ensure the comfort of the patients during the exams

and it was developed a specific support for the sensors.

To visualise and analyse the 3D movement acquired in a personal computer it

was developed a computational application in LabVIEW. To transform in cartesian

coordinates the electrical signal obtained by the electromagnetic sensors it was

created the “algorithm of the nearest point” and were also used neural networks.

To develop this prototype system it was adopted a structured product

development process: the costumer needs, the product specifications, the concept

and the product architecture were defined and prototypes were created and

tested. It were also estimated the production costs of the developed prototype.

vii

Índice

1. Introdução à Dissertação.............................................................. 1

1.1: Introdução............................................................................ 3

1.2: Organização da Dissertação ....................................................... 5

1.3: Principais contribuições do trabalho desenvolvido ............................ 6

2. Introdução à Anatomia Dentária ..................................................... 9

2.1: Articulação temporomandibular ................................................. 11

2.1.1: Ligamentos ..................................................................... 12

2.1.2: Músculos ........................................................................ 13

2.2: Movimentos ......................................................................... 15

2.3: Oclusão .............................................................................. 21

2.3.1: Desenvolvimento da oclusão ................................................ 21

2.3.2: Forma do arco dental......................................................... 25

2.3.3: Ângulos cuspídeos, cúspides guias, planos e curvas oclusais

imaginários ............................................................................. 26

2.3.4: Angulação dos eixos dos dentes............................................. 27

2.3.5: Forma funcional dos dentes ................................................. 29

2.3.6: Contacto oclusal............................................................... 30

2.4: Resumo .............................................................................. 33

3. Disfunções Temporomandibulares: Causas e Diagnóstico....................... 35

3.1: Disfunções temporomandibulares ............................................... 37

3.2: Diagnóstico das disfunções temporomandibulares............................ 38

3.3: Aquisição e análise do movimento mandibular................................ 39

3.3.1: Sistema Zebris JMA system .................................................. 41

3.3.2: Sistema ARCUSdigma ......................................................... 42

3.3.3: Sistema K7 Evaluation System .............................................. 43

3.3.4: Sistemas ópticos............................................................... 44

3.4: Resumo .............................................................................. 47

4. Introdução ao Desenvolvimento de Produto e Apresentação do Caso em

Estudo ................................................................................... 49

4.1: Introdução ao Desenvolvimento de Produto ................................... 51

ix

4.2: Apresentação do caso em estudo: Desenvolvimento de um sistema

protótipo para aquisição e análise do movimento mandibular 3D............... 54

4.2.1: Introdução...................................................................... 54

4.2.2: Desenvolvimento do sistema protótipo .................................... 56

4.3: Resumo .............................................................................. 58

5. Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do

Movimento Mandibular 3D ........................................................... 61

5.1: Sensores electromagnéticos ...................................................... 63

5.2: Íman .................................................................................. 66

5.3: Arco Facial Arcus................................................................... 67

5.4: Redesign efectuado................................................................ 69

5.5: Sistema de suporte para os sensores............................................ 70

5.6: Protótipos desenvolvidos.......................................................... 73

5.7: Montagem electrónica desenvolvida ............................................ 77

5.8: Interface gráfica desenvolvida................................................... 79

5.9: Conversão da Tensão em Coordenadas Cartesianas .......................... 82

5.10: Utilização do sistema ............................................................ 87

5.11: Estimativa dos custos de produção ............................................ 91

5.12: Comercialização do produto .................................................... 92

5.13: Resumo ............................................................................. 94

6. Conclusões Finais e Perspectivas de Trabalho Futuro ........................... 97

6.1: Conclusões Finais................................................................... 99

6.2: Perspectivas de Trabalho Futuro ...............................................100

Bibliografia .................................................................................103

Anexo A. Programação em LabVIEW...................................................109

x

Índice de Figuras

Figura 2.1: Articulação temporomandibular (imagem adaptada de [Moore,

1999]). ....................................................................................... 11

Figura 2.2: A articulação temporomandibular: a) vista lateral; b) vista medial; c)

secção sagital (imagens adaptadas de [Williams, 1995]). ........................... 13

Figura 2.3: a) Músculo temporal esquerdo; b) Músculos pterigóideos esquerdos

(imagens de [Williams, 1995]). .......................................................... 14

Figura 2.4: Modificações das relações do côndilo da mandíbula, o disco articular

e a face articular do osso temporal durante uma abertura completa (A>D) e

fecho (D>A) do ciclo da boca (imagem de [Williams, 1995])........................ 17

Figura 2.5: Representação esquemática do movimento mandibular bordejante no

plano sagital: CR - relação cêntrica; CO - oclusão cêntrica; F - protrusão

máxima; PR - posição de repouso; E - abertura máxima; B e CR - abertura e

fecho sobre o eixo de rotação, sem mudança no raio (r) (imagem adaptada

de [Major, 1987]). ......................................................................... 18

Figura 2.6: Movimento lateral direito da mandíbula, com representação

esquemática do movimento no ponto incisivo no plano horizontal (CR, LL, P,

RL) e na cabeça da mandíbula (W, C, B, P): CR - relação cêntrica; LL -

lateral esquerda; P - protrusiva; RL - lateral direita; CO - oclusão cêntrica;

BG – ângulo de Bennett; de C a P - movimento protrusivo (imagem de

[Major, 1987]). ............................................................................. 20

Figura 2.7: Figura de Posselt no plano frontal (imagem de [Weingärtner, 1997]). ... 21

Figura 2.8: Dentição de leite (imagens adaptadas de [ADMT, 2005]). .................. 22

Figura 2.9: Dentição definitiva (imagem adaptada de [ADMT, 2005]). ................. 23

Figura 2.10: Sequência eruptiva favorável dos dentes permanentes (imagem de

[Major, 1987]). ............................................................................. 24

Figura 2.11: Curva de Spee (imagem de [Bastos, 2000]).................................. 27

Figura 2.12: Curva de Wilson (imagem de [Bastos, 2000])................................ 28

xi

Figura 2.13: Angulação dos eixos dos dentes: A – incisivos; B – primeiro pré-

molar; C – segundo pré-molar; D – primeiro molar; E – segundo molar; F –

terceiro molar (imagem de [Major, 1987]). ........................................... 28

Figura 2.14: Os terços incisal e oclusal da coroa dental apresentam superfícies

côncavas ou convexas em todas as áreas de contacto oclusal (imagem de

[Major, 1987]). ............................................................................. 29

Figura 2.15: A - Desenho esquemático da face mesial das coroas dos primeiros

molares superiores e inferiores em relação cêntrica (foram colocados

círculos dentro dos contornos das formas cuspídeas para enfatizar as

curvaturas); B - Esquema das relações de contacto em dentes não

desgastados; C - Modificação nas relações de contacto oclusal com o

desgaste (imagem de [Major, 1987]).................................................... 30

Figura 2.16: Relações vestibulares dos dentes nos arcos opostos (imagem de

[Bodin, 2004]). ............................................................................. 30

Figura 2.17: Sobressaliência e sobremordida (imagem adaptada de [ADMT,

2005]). ....................................................................................... 32

Figura 2.18: Esquema idealizado para todos os contactos das cúspides de suporte

com fossas e cristas marginais dos dentes oponentes: A - arco superior; B -

arco inferior (imagem de [Ramfjord, 1984]). ......................................... 32

Figura 3.1: Sistema Jaw Motion Analyzer (JMA) da Zebris GmbH (imagem de

[Enciso, 2002]).............................................................................. 41

Figura 3.2: Sistema ARCUSdigma da Kavo (imagem de [www.kavo.com]). ............ 42

Figura 3.3: Os quatro passos necessários para a aquisição do movimento com o

sistema ARCUSdigma (imagem de [Pröschel, 2002]). ................................ 43

Figura 3.4: Sistema K7 Evaluation System da Myotronics (imagem de [Garcia,

2003]). ....................................................................................... 44

Figura 3.5: Íman utilizado para detectar o movimento, montado sobre os

incisivos (imagem de [Leles, 2003])..................................................... 44

Figura 3.6: Interface gráfica que acompanha o sistema K7 Evaluation System da

Myotronics (imagens de [www.myotronics.com]). ................................... 45

Figura 3.7: Paciente sentado no interior do campo de visão das duas câmaras

posicionadas ortogonalmente. O paciente usa um suporte com marcadores

inferiores e um capacete de referência (imagem de [Leader, 2002])............. 45

xii

Figura 3.8: Sistema desenvolvido por Mesnard: a) Molde dos dentes do paciente e

a calha onde vão ser montados os alvos; b) Alvos “montados” no paciente

(imagens de [Mesnard, 2003])............................................................ 46

Figura 3.9: Sistema desenvolvido por Kinuta (imagem de [Kinuta, 2003])............. 47

Figura 3.10: Imagem obtida pela câmara utilizada por Kinuta (imagem de

[Kinuta, 2003]). ............................................................................ 47

Figura 4.1: Processo genérico de desenvolvimento de produto (imagem adaptada

de [Ulrich, 2000]). ......................................................................... 53

Figura 5.1: Efeito de Hall: a) sem campo magnético; b) com campo magnético

(imagens de [Honeywell, 2005]). ........................................................ 63

Figura 5.2: Efeito GMR, “Giant Magneto Resistive”: A – Camada condutora; B –

Camadas magnéticas; C – Corrente eléctrica; D – Campo magnético (imagens

adaptadas de [NVE, 2005]). .............................................................. 64

Figura 5.3: a) Sensores AA002-02 da NVE Corporation (USA) usados; b) Esquema

do sensor (imagem de [NVE, 2002])..................................................... 65

Figura 5.4: Configurações possíveis do íman/sensor usado (imagens adaptadas de

[Honeywell, 2005]). ....................................................................... 66

Figura 5.5: Modelação 3D da montagem dos sensores usados e das placas de

circuito impresso desenvolvidas. ........................................................ 66

Figura 5.6: Íman usado na aquisição do movimento mandibular. ....................... 67

Figura 5.7: Íman revestido a teflon (diâmetro: 5 mm; altura: 11 mm)................. 67

Figura 5.8: Arco facial Arcus da Kavo usado neste trabalho como estrutura

principal de suporte do sistema de aquisição mandibular (duas vistas). ......... 68

Figura 5.9: a) Exemplo de utilização do arco facial Arcus da Kavo; b) Pormenor

do auricular; c) Pormenor da glabela (imagens de [www.kavo.com]). ........... 68

Figura 5.10: Modelação 3D realizado neste trabalho do arco facial Arcus usando o

programa Autodesk Inventor Professional (duas vistas). ............................ 69

Figura 5.11: Um dos auriculares originais do arco facial Arcus da Kavo (duas

vistas). ....................................................................................... 69

Figura 5.12: a) Modelação 3D obtida para o auricular original; b), c) e d)

Redesign obtido para a mesma peça.................................................... 70

Figura 5.13: Modelação 3D do suporte dos sensores desenvolvido (quatro vistas).... 71

xiii

Figura 5.14: a) Montagem das placas de circuito dos sensores no dispositivo de

suporte respectivo; b) e c) Sistema de abertura/fecho por tampa deslizante. . 72

Figura 5.15: Pormenor da fixação do suporte desenvolvido para os sensores

electromagnéticos ao arco facial da Kavo. ............................................ 72

Figura 5.16: a) Pormenor da parte terminal do suporte dos sensores; b) Pormenor

da ligação dos cabos dos sensores....................................................... 73

Figura 5.17: Primeira versão dos auriculares desenvolvidos. ............................ 74

Figura 5.18: Primeira versão do suporte desenvolvido para os sensores. .............. 74

Figura 5.19: Segunda versão do suporte dos sensores e dos auriculares

concebidos neste trabalho usando o método de estereolitografia (duas

vistas). ....................................................................................... 75

Figura 5.20: a) Segunda versão dos auriculares desenvolvidos; b) Montagem do

novo auricular no arco facial Arcus da Kavo........................................... 75

Figura 5.21: a) Segunda versão do suporte dos sensores desenvolvido; b)

Pormenor da fixação das placas de circuito impresso dos sensores; c)

Pormenor de fixação ao arco facial Arcus da Kavo. .................................. 76

Figura 5.22: Montagem dos sensores na segunda versão do suporte desenvolvido

para os mesmos. ........................................................................... 76

Figura 5.23: Sugestão para o plano de apartação do suporte desenvolvido para os

sensores (duas vistas). .................................................................... 77

Figura 5.24: NI USB-6008 da National Instruments: 1 - Indicador da orientação

dos conectores; 2 - Conectores; 3 - Etiquetas; 4 - Cabo USB (imagem de [NI,

2005]). ....................................................................................... 78

Figura 5.25: Fonte de alimentação usada na alimentação do sistema (imagem de

[www.rs-portugal.com]). ................................................................. 79

Figura 5.26: Caixa desenvolvida para alimentação dos sensores

electromagnéticos e aquisição por um computador pessoal dos seus sinais. .... 80

Figura 5.27: Interface gráfica desenvolvida neste trabalho recorrendo à

ferramenta LabVIEW: em cima surgem os campos relativos aos dados

pessoais do paciente, enquanto que na parte de baixo surgem os botões de

controlo e os gráficos dos resultados obtidos. ........................................ 81

Figura 5.28: Interface gráfica desenvolvida: projecção da trajectória no plano

sagital........................................................................................ 82

xiv

Figura 5.29: Interface gráfica desenvolvida: localização do relatório da medição

obtida. ....................................................................................... 83

Figura 5.30: Exemplo de um relatório obtido com a interface desenvolvida.......... 83

Figura 5.31: Montagem utilizada na aquisição experimental dos pontos 3D usada

para calibrar o sistema desenvolvido. .................................................. 84

Figura 5.32: Pormenor do “zero” do sistema de coordenadas 3D usado para

calibrar o sistema desenvolvido. ........................................................ 85

Figura 5.33: Interface desenvolvida durante este trabalho para a aquisição dos

pontos 3D necessários para a calibração do sistema. ................................ 85

Figura 5.34: Pontos 3D adquiridos 3D para calibrar o sistema desenvolvido: Eixo 1

– segundo xx; Eixo 2 – segundo zz; Eixo 3 – segundo yy. ............................. 86

Figura 5.35: Funções de transferência: a) Função de transferência dos neurões

da camada escondida; b) Função de transferência dos neurões da camada de

saída (imagens de [Demuth, 2005]). .................................................... 87

Figura 5.36: Arquitectura da rede de base radial utilizada: R - número de

entradas; S1 - número de neurões na camada escondida; S2 - número de

neurões na camada de saída (imagem adaptada de [Demuth, 2005])............. 87

Figura 5.37: Sistema protótipo desenvolvido para a aquisição e análise do

movimento mandibular 3D................................................................ 88

Figura 5.38: Preparação do sistema protótipo desenvolvido para a aquisição e

análise do movimento mandibular 3D. ................................................. 89

Figura 5.39: Preparação do arco facial: substituição das peças auriculares........... 89

Figura 5.40: a) Colocação do arco facial no paciente; b) Pormenor da peça

auricular desenvolvida neste trabalho; c) Sistema pronto para a aquisição do

movimento. ................................................................................. 89

Figura 5.41: Marcação “CE” que deverá ser aposta no dispositivo desenvolvido

(imagem da Portaria nº 136/96 de 3 de Maio)......................................... 93

xv

Índice de Tabelas

Tabela 2.1: Dentição de leite (dados de [Moore, 1999]).................................. 22

Tabela 2.2: Dentição definitiva (dados de [Moore, 1999]). .............................. 23

Tabela 5.1: Características dos sensores AA002-02 da NVE Corporation (dados de

[NVE, 2002]). ............................................................................... 65

Tabela 5.2: Características da placa de aquisição NI USB-6008 da National

Instruments (dados de [NI, 2005]). ..................................................... 78

Tabela 5.3: Parâmetros do comando “newrb” utilizado para construir a rede

neuronal radial utilizada neste trabalho. .............................................. 87

Tabela 5.4: Estimativa dos custos para produzir o sistema protótipo desenvolvido

para a aquisição e análise do movimento mandibular 3D. .......................... 92

xvii

1. Introdução à Dissertação

Introdução à Dissertação

1.1: Introdução

Quando se fala em desenvolvimento de produto é um equívoco pensar que se

resume somente à definição da forma e das características. Pois, trata-se de um

processo que ocupa um lugar de destaque nas empresas por abranger áreas tão

distintas como o marketing, a engenharia, o design e o planeamento do processo de

fabrico incluindo a definição dos custos.

O desenvolvimento de produto pode-se referir à criação de novos produtos ou à

adaptação de artigos já existentes. Geralmente, o processo é iniciado e altamente

condicionado por influências internas e externas tais como encomendas, pedidos

dos clientes, lacunas no mercado, ideias inovadoras ou directrizes das próprias

empresas que definem as características do produto e as tarefas que este deve

desempenhar.

Nesta Dissertação é descrito o desenvolvimento de um novo produto: um

sistema protótipo para a aquisição e análise do movimento mandibular 3D. Neste

caso, o processo de desenvolvimento começou com a identificação de uma

oportunidade durante uma conversa com um médico dentista. Inicialmente falou-se

da articulação temporomandibular e dos problemas que ela pode causar, mas

rapidamente foi apontada a necessidade de um sistema que auxiliasse o diagnóstico

das disfunções temporomandibulares que fosse prático e acessível.

A mandíbula humana, juntamente com a articulação temporomandibular,

forma um interessante e complexo sistema biomecânico que desempenha várias

funções e tem a capacidade de exercer elevadas forças com grande precisão. As

anormalidades na mandíbula, além de causarem problemas estéticos, são

responsáveis por cargas assimétricas na articulação que por sua vez conduzem a um

desenvolvimento desigual dos músculos e a dores na articulação e, uma vez que a

articulação é essencial para morder e mastigar, a dor é incapacitante e reduz

consideravelmente a qualidade de vida de quem a sente.

Grande parte da população padece de dores de cabeça, dores no pescoço,

dores na face, sensação de “assobio”, vertigens e dor nos ouvidos. Muitas vezes

diz-se que este mal-estar está “na cabeça dos pacientes” ou é o resultado do stress

e procura-se aliviar as dores recorrendo a analgésicos. No entanto, estes sintomas

Isa Cristina Teixeira Santos 3


podem significar problemas na articulação temporomandibular. Para um correcto

diagnóstico o padrão do movimento mandibular deve ser estudado, pois a

existência de desvios nos movimentos pode ser revelador quanto à presença ou não

de problemas a nível da articulação.

O conhecimento do movimento mandibular é importante no estudo do

movimento condilar, da fala, da mastigação e dos movimentos musculares. Em

Medicina Dentária, a cinemática mandibular é essencial para simular as

articulações temporomandibulares, posicionar os modelos dos dentes em

articuladores e reproduzir os movimentos mandibulares de modo a garantir uma

oclusão satisfatória.

A peculiar construção da articulação permite que a mandíbula se mova segundo

seis graus de liberdade tornando complexa a aquisição do movimento.

Actualmente, existem vários dispositivos que permitem fazer a aquisição e a

avaliação do movimento mandibular com grande exactidão mas, tanto os sistemas

comerciais correntes como os dispositivos desenvolvidos à medida, são

considerados demasiado caros e de difícil utilização comum, pelo que geralmente o

seu uso é restrito. Perante esta situação, procurou-se desenvolver durante este

trabalho um sistema económico, fácil de utilizar e que tivesse elevada exactidão.

No desenvolvimento do sistema protótipo foi adoptado um processo de

desenvolvimento de produto estruturado: foi identificada uma oportunidade, foram

definidas as especificações do produto, foram definidos conceitos e a arquitectura

do mesmo, e finalmente foram desenvolvidos e testados protótipos.

As especificações do produto foram definidas, juntamente com um médico

dentista, depois de ser realizado um estudo sobre anatomia dentária e a

articulação temporomandibular, e os conceitos só foram desenvolvidos depois de

ser feito um levantamento sobre os sistemas existentes para a aquisição do

movimento mandibular.

No protótipo desenvolvido neste trabalho, foram utilizados sensores

electromagnéticos para registar o movimento de um pequeno íman colado junto ao

ponto incisivo da mandíbula do paciente; esta tecnologia foi escolhida por permitir

efectuar medições sem contacto e por ser de baixo custo.

No sentido de reduzir custos e generalizar o uso do sistema, em vez de se

conceber um novo suporte para os sensores, foi adaptado um arco facial comum em



Medicina Dentária. Assim, foi escolhido um arco facial recente e compatível com

vários articuladores; posteriormente, algumas das suas peças foram redesenhadas

para melhorar o desempenho na sua nova função e foi criado um suporte dedicado

para os sensores.

Para a aquisição do sinal dos sensores foi usado o módulo NI 6008 da National

Instruments e o software LabVIEW. Com esta ferramenta foi desenvolvida uma

aplicação para visualizar e analisar o movimento mandibular 3D. Procurou-se que a

interface criada fosse intuitiva, e que o médico dentista pudesse registar todas as

informações relevantes para o diagnóstico das disfunções temporomandibulares.

Durante a criação da interface, surgiu a necessidade de converter a tensão

registada pelos sensores electromagnéticos em coordenadas cartesianas de modo a

traçar a trajectória 3D do íman. Para este efeito, foi criado um algoritmo a que se

chamou “algoritmo do ponto mais próximo” e também foram experimentadas redes

neuronais.

Como o processo do desenvolvimento do produto só termina quando este é

comercializado, foram indicados os procedimentos necessários para a

comercialização em Portugal de um dispositivo médico. Também foram apontados

alguns dos custos envolvidos na produção do sistema.

1.2: Organização da Dissertação

Esta Dissertação descreve o desenvolvimento de um novo sistema protótipo

para a aquisição do movimento mandibular 3D, que inclui uma aplicação

computacional desenvolvida em LabVIEW para visualizar e analisar o movimento

adquirido.

Esta Dissertação é constituída por seis capítulos e um anexo. Em seguida, são

descritos resumidamente os restantes cinco capítulos e o referido anexo.

No capítulo seguinte apresenta-se sucintamente a anatomia dentária. É feita

uma descrição da articulação temporomandibular, dos músculos e ligamentos

envolvidos no movimento mandibular, e os vários movimentos da mandíbula são

explicados assim como alguns dos factores que os influenciam.



No terceiro capítulo fala-se das disfunções temporomandibulares e do seu

diagnóstico. Neste capítulo também são apresentados alguns dos sistemas

existentes para a aquisição e análise do movimento mandibular.

O quarto capítulo desta Dissertação começa com uma introdução teórica ao

desenvolvimento do produto. Posteriormente descreve-se, sucintamente, o

procedimento adoptado no caso de desenvolvimento de produto e são explicados os

passos a tomar na comercialização de um dispositivo médico.

No capítulo seguinte, o desenvolvimento do sistema protótipo é relatado

detalhadamente.

No último capítulo são apresentadas algumas conclusões finais e indicadas

várias propostas para trabalhos futuros.

No final desta Dissertação, incluiu-se um anexo com vários diagramas de blocos

referentes à programação da interface desenvolvida usando a ferramenta LabVIEW.

1.3: Principais contribuições do trabalho desenvolvido

Apesar do movimento mandibular ser importante no diagnóstico de problemas

da articulação temporomandibular são poucos os médicos dentistas que possuem

equipamento adequado para proceder à sua aquisição. Com esta Dissertação

procurou-se chamar a atenção para esse facto e desenvolver um sistema protótipo

para a aquisição e análise do movimento mandibular 3D que fosse prático e

acessível.

Para melhor compreender o problema estudou-se anatomia dentária e a

articulação temporomandibular e foram descritos alguns dos sistemas existentes

para a aquisição do movimento mandibular.

Procurou-se que o processo do desenvolvimento do sistema protótipo fosse um

processo de desenvolvimento de produto estruturado pelo que foi necessário

também estudar este assunto.

Tal como já foi referido, foi desenvolvido um sistema protótipo para a

aquisição do movimento mandibular 3D que foi materializado recorrendo a

técnicas de protipagem rápida.



Foi criada uma aplicação gráfica para a aquisição e análise do movimento

mandibular 3D, e para que ela funcionasse de forma o mais adequada possível foi

necessário utilizar redes neuronais.

Uma vez que foi ponderada a comercialização do sistema protótipo foram

estimados custos de produção, e foram indicados os procedimentos necessários

para a comercialização.


2. Introdução à Anatomia Dentária

Introdução à Anatomia Dentária

2.1: Articulação temporomandibular

A articulação temporomandibular faz a ligação entre o osso temporal e a

mandíbula; mais precisamente, entre o côndilo da mandíbula, a eminência

articular e a fossa do osso temporal, Figura 2.1.

Figura 2.1: Articulação temporomandibular (imagem adaptada de [Moore, 1999]).

Esta articulação é constituída por ossos, a porção anterior da fossa mandibular,

a eminência articular do osso temporal e o côndilo da mandíbula, ligamentos, disco

articular e membrana sinovial. As superfícies funcionais do côndilo (a face anterior)

e da eminência articular (a inclinação posterior) estão cobertas por uma camada de

tecido fibroso. Entre o côndilo e o osso temporal, encontra-se o disco articular.

O disco articular [Williams, 1995], uma lâmina oval de tecido fibroso com uma

forma bicôncava, divide a articulação num compartimento superior e outro

inferior. Frequentemente, este disco é incompleto e perfurado de variadas formas.

A sua principal função é permitir o movimento do côndilo reduzindo assim o risco

de trauma: o disco adapta e estabiliza o côndilo em repouso e em movimento,

distribui as pressões por uma área maior, e preenche os espaços vazios de modo a

permitir maior equidade na dinâmica articular.



A fossa mandibular é uma depressão oval ou oblonga do osso temporal; é

limitada pela eminência articular, pela raiz longitudinal do processo zigomático do

temporal, pela parede anterior do meato acústico externo e pela parte timpânica

do osso temporal. A forma da fossa mandibular corresponde, aproximadamente, às

superfícies posterior e superior da cabeça da mandíbula.

O côndilo é convexo em toda a superfície articular, porém, achatado

posteriormente, apresentando-se com uma saliência arredondada e sendo mais

amplo lateromedialmente do que antero-posteriormente.

Os longos eixos do côndilo estão num plano lateral, e à primeira vista, parecem

estar desalinhados, porque se fossem prolongados encontrar-se-iam num ponto

anterior ao forame magno formando um ângulo de, aproximadamente, 135º [Major,

1987]. O côndilo é perpendicular ao ramo da mandíbula.

2.1.1: Ligamentos

A articulação temporomandibular é um exemplo de uma diartrose1 cujos

movimentos são uma combinação de movimentos de charneira e de deslizamento.

A cápsula fibrosa está inserida nas margens da área articular do osso temporal

e à volta do colo da mandíbula. A articulação tem uma membrana sinovial superior

e outra inferior; a superior, reveste a cápsula e a parte superior do disco enquanto

que a inferior, reveste a parte inferior do disco e a cápsula.

A ligação da mandíbula ao crânio é feita pelos ligamentos temporomandibular

lateral, esfenomandibular e estilomandibular, Figura 2.2.

O ligamento temporomandibular lateral está inserido na parte superior do

zigoma e na face lateral e na parte inferior da margem posterior do colo da

mandíbula. Por sua vez, o ligamento esfenomandibular é uma faixa fina, achatada,

que desce da espinha do osso esfenóide e se alarga para alcançar a língula do

forame da mandíbula; na mecânica da mandíbula, a função deste ligamento é

desprezível. Já o ligamento estilomandibular é um feixe especializado da fáscia

cervical profunda, que se estica do ápice e da face anterior adjacente do processo

estilóide até ao ângulo da mandíbula e à margem posterior. Finalmente, o

ligamento pterigoespinhal estende-se entre a espinha do osso esfenóide e a borda 1 As diartroses são articulações móveis.



posterior da lâmina lateral do processo pterigóideo próximo da extremidade

superior; algumas vezes “ossificado”, ele completa um forame que dá passagem

para os ramos do nervo mandibular para o temporal, masseter e pterigóideo

lateral.

a) b) c)

Figura 2.2: A articulação temporomandibular: a) vista lateral; b) vista medial; c) secção sagital (imagens adaptadas de [Williams, 1995]).

2.1.2: Músculos

Os músculos masseter, temporal e pterigóideos estão directamente

relacionados com os movimentos da mandíbula durante a mastigação, deglutição e

fala, Figura 2.3.

O músculo temporal estende-se “como um leque” a partir da fossa temporal;

ao passar pelo arco zigomático, forma um tendão que se insere na borda anterior e

na superfície mesial do processo coronóide da mandíbula, e ao longo da margem

anterior do ramo. Este músculo apresenta três componentes e parece comportar-se

como se estes componentes fossem distintos e independentes. O temporal é

responsável pela elevação da mandíbula, quando se fecha a boca e se aproximam

os dentes; também está relacionado com os movimentos laterais da trituração e na

retrusão.

Por outro lado, o músculo masseter é um músculo quadrilátero que se estende

do arco zigomático ao ramo da mandíbula. A sua principal função é a elevação da

mandíbula, embora também possa auxiliar na projecção simples; tem um papel

dominante na elevação da mandíbula.



a) b)

Figura 2.3: a) Músculo temporal esquerdo; b) Músculos pterigóideos esquerdos (imagens de [Williams, 1995]).

Por sua vez, o pterigóideo medial é um espesso músculo quadrilátero que

começa na superfície medial da lâmina lateral do processo pterigóideo do osso

esfenóide e do osso palatino e termina no forame da mandíbula. Este músculo tem

como principais funções elevar e desviar lateralmente a mandíbula, sendo também

activo durante a protrusão2.

Finalmente, o pterigóideo lateral é um músculo curto e espesso com uma

cabeça superior proveniente da superfície infratemporal e da crista da asa maior

do osso esfenóide, e uma cabeça inferior proveniente da face lateral da lâmina

lateral do processo pterigóideo. A função principal deste músculo é a projecção do

côndilo, enquanto dirige o disco para a frente. O músculo pterigóideo parece

relacionar-se com todos os graus do movimento de projecção e de abertura da

mandíbula. Durante os movimentos de lateralidade, este músculo é auxiliado pelos

músculos masseter, pterigóideo médio e temporal.

A inserção do músculo digástrico faz-se próximo da margem inferior da

mandíbula e próximo da linha mediana. Existe um tendão, entre os seus ventres

anterior e posterior, que está fixo por uma fita de tecido conjuntivo ao osso hióide.

O ventre anterior está recoberto pelo músculo platisma e, abaixo, encontra-se o

músculo milo-hióideo. A zona anterior do digástrico, junto com outros músculos

supra-hióideos e com o músculo pterigóideo lateral, relaciona-se com a descida da

mandíbula, sendo mais proeminente no fim da descida mandibular.

2 A protrusão é o movimento de avanço da mandíbula.



Os dois músculos genioióideos dirigem-se para baixo e para trás, a partir das

bordas milo-hióideas, no lado lingual da mandíbula e inserem-se no osso hióide. A

função destes músculos é semelhante àquela dos músculos digástricos, na descida e

retracção3 da mandíbula. Estes músculos também elevam o osso hióide durante a

deglutição.

2.2: Movimentos

A mandíbula pode ser descida ou elevada, protruída ou retruída, e pode rodar

em torno de um eixo horizontal; apesar de ambas as articulações agirem juntas, o

movimento de cada uma pode deferir ao longo de um movimento real. Estas acções

envolvem movimentos de charneira (rotação), movimentos de deslizamento e

movimentos de translação.

As posições básicas da mandíbula são: oclusão cêntrica (OC) ou posição

intercuspídica (PI), relação cêntrica (RC) ou posição de contacto retrusiva e posição

de repouso (PR).

A oclusão cêntrica, é definida como a máxima intercuspidação dos dentes;

também pode ser chamada de oclusão central, posição intercuspidiana, posição

dentária, cêntrica adquirida ou cêntrica habitual. Nesta posição, as cúspides dos

dentes inferiores e superiores interrelacionam-se de forma máxima.

A relação cêntrica corresponde à trajectória de abertura e de fecho sem

translação das cabeças da mandíbula, na qual os côndilos estão em posição mais

superior e medial na fossa mandibular.

Na posição de repouso, os dentes superiores e inferiores estão ligeiramente

afastados. Esta posição é uma posição postural da mandíbula determinada

amplamente pela actividade neuromuscular e, em menor grau, pelas propriedades

visco elásticas dos músculos. Muitos factores, como a tensão emocional e factores

periféricos (como dores de dentes) influenciam esta posição impedindo de ser

utilizada como referência para transferir as relações da mandíbula a um

3 A retracção é o movimento de recuo da mandíbula.



articulador4. A posição de repouso está relacionada com o espaço interoclusal: esta

distância, com a madibula na posição de repouso e cabeça na posição vertical, é de

cerca de 1 a 3 mm nos incisivos, com uma variação normal considerável de 8 a 10

mm (sem evidência de disfunção) [Major, 1987].

A Figura 2.4, mostra os movimentos dos côndilos num ciclo completo de

abertura e de fecho da boca. A partir da posição de repouso, quando se abre a

boca, os côndilos giram sobre um eixo horizontal comum e deslizam para a frente e

para baixo sobre as faces inferiores dos seus discos articulares. Por sua vez, estes

discos deslizam na mesma direcção sobre os ossos temporais, devido às suas

inserções nas cabeças das mandíbulas e à contracção dos músculos pterigóideos

laterais puxando as referidas cabeças e discos para os tubérculos articulares. O

deslizamento do disco termina quando as suas inserções fibroelásticas posteriores

nos ossos temporais são esticadas até ao limite. O basculamento e deslizamento

ulteriores colocam-nos em articulação com as partes mais anteriores dos discos à

medida que a boca se abre totalmente. No fecho, os movimentos são invertidos:

cada cabeça desliza para trás e báscula sobre o disco respectivo, ainda sustentado

pelo músculo pterigóideo lateral que relaxa para permitir ao disco deslizar para

trás e para cima na fossa mandibular.

O trajecto efectuado pelos eixos de rotação transcraniais dos cônilos aquando

da abertura da mandíbula chama-se guia condilar e pode ser medido apartir do

plano Frankfurt (orbital ao tragos)5.

Usando equipamento específico, tal como pantógrafos ou cinesiógrafos é

possível registar os movimentos da mandíbula em relação a um plano de referência

(plano sagital ou médio, horizontal e frontal). Assim, traçando a trajectória

descrita pelo ponto incisivo, localizado nas margens incisais dos dois incisivos

centrais inferiores, no movimento máximo de lateralidade e de protrusão, no

movimento retrusivo e no movimento máximo de abertura, é possível definir os

movimentos bordejantes ou de “envelope”. Todos os movimentos funcionais e

parafuncionais ocorrem durante esses movimentos, [Major, 1987; Koolstra, 2001].

4 O articulador é um instrumento onde são montados os moldes dos dentes que é utilizado para reproduzir

as relações entre a mandíbula e o maxilar. Estas relações são registadas recorrendo a um arco facial, [Ogden, 1995].

5 O plano Frankfurt é um plano que passa pelo ponto mais baixo da orbital esquerda e pelo ponto mais alto de cada uma das margens externas do meato auditivo, [Ogden, 1995].



Figura 2.4: Modificações das relações do côndilo da mandíbula, o disco articular

e a face articular do osso temporal durante uma abertura completa (A>D) e fecho (D>A) do ciclo da boca (imagem de [Williams, 1995]).

A Figura 2.5 ilustra os movimentos bordejantes mandibulares registados no

plano sagital. Se a mandíbula for mantida para trás e para cima, pode ser traçado

um movimento de bisagra para os incisivos inferiores, de CR para B (uma distância

de cerca de 1 mm, mais raramente entre 2 a 3 mm [Major, 1987]). Este



movimento, chamado de movimento de bisagra terminal da mandíbula6, mantém

um eixo de rotação estacionário, C, através das duas articulações

temporomandibulares geralmente localizadas nos côndilos. Esta posição denota o

intervalo funcional posterior da mandíbula, e tem sido definida como a posição

mais posterior da mandíbula a partir da qual podem ser realizados

confortavelmente os movimentos de abertura e de lateralidade.

Eixo de rotação

Eixo de rotação e fecho

D

Figura 2.5: Representação esquemática do movimento mandibular bordejante no plano sagital: CR - relação cêntrica; CO - oclusão cêntrica; F - protrusão máxima; PR - posição de repouso;

E - abertura máxima; B e CR - abertura e fecho sobre o eixo de rotação, sem mudança no raio (r) (imagem adaptada de [Major, 1987]).

Em condições fisiológicas normais do sistema mastigador, este centro de

rotação e o trajecto dos movimentos mandibulares são constantes e reprodutíveis,

desde que os côndilos assentem contra o menisco no fundo da fossa glenóide.

Quando se tenta abrir a mandíbula em trajecto retrusivo, Figura 2.5, abaixo de

B, o eixo de rotação passa para D, ligeiramente atrás do forame mandibular, os

côndilos movem-se para baixo e para a frente e o ponto incisivo move-se para E.

Naturalmente, o movimento realiza-se ainda ao redor do eixo intercondilar, que

continua o seu movimento para baixo e para a frente. O fecho com a mandíbula

numa posição para a frente, ou protrusiva, segue o trajecto de E para F, enquanto

que o côndilo localiza-se sobre o tubérculo articular. Quando os dentes posteriores 6 Este movimento também pode ser chamado de relação central, posição de bisagra terminal, posição de

contacto retruído ou de posição ligamentosa (por ser determinado pelos ligamentos e pela estruturas da articulação temporomandibular).



entram em contacto, o fecho protrusivo interrompesse em F. O trajecto de F para

CO, com os dentes ainda em contacto, é determinado pela relação oclusal entre os

dentes de ambos os arcos. A posição de CO, isto é, fecho completo, é determinada

pela intercuspidação máxima dos dentes.

O trajecto entre as posições CR e CO da Figura 2.5, ou o movimento cêntrica

em deslize, é realizado quando os dentes entram em contacto em relação central

(CR) e as maxilas deslizam conjuntamente em oclusão central (CO). O deslizamento

é frequentemente uma combinação de movimentos para a frente e para os lados.

A partir da posição de repouso, PR da Figura 2.5, quando se abre a mandíbula,

o ponto incisivo segue o trajecto de R para E, e o côndilo move-se para a frente e

para baixo, com um centro de rotação próximo de D. Com o toque entre dentes

superiores e inferiores, em ligeiro contacto inicial a partir de R, é atingida uma

posição próxima de CO; entretanto, o contacto inicial depende da postura devido à

“memória muscular” dos contactos oclusais e ao equilíbrio muscular.

A Figura 2.6 ilustra os movimentos mandibulares no plano horizontal quando os

dentes não estão em oclusão. Os movimentos bordejantes para o ponto incisivo

podem ser esboçados por um traçado de arco gótico, ou traçado de Gyst, que pode

ser registado em vários graus de abertura. Com a mandíbula na posição de bisagra

estacionária ou relação central, o ponto CR corresponde à relação central. À

medida que a mandíbula se move em movimentos de lateralidade retrusiva, o

ponto incisivo registra a linha de CR para RL. A partir de RL, a mandíbula pode ser

movimentada para a frente e medialmente ao ponto P. Um traçado semelhante

pode ser realizado considerado o outro lado, de CR para LL.

O deslocamento lateral da mandíbula, chamado movimento de Bennett, é

medido pela distância com que se move o côndilo do lado de trabalho, de C para W

na Figura 2.6. O côndilo oposto move-se para baixo, para a frente e para dentro, e

realiza um ângulo (BG)7 com o plano mediano, quando projectado

perpendicularmente sobre o plano horizontal. O movimento lateral pode ter

componentes imediatos, bem como componentes progressivos. No lado de

trabalho, o côndilo em rotação pode mover-se lateralmente de C para W cerca de 3

mm [Major, 1987]. O movimento lateral pode ter um componente retrusivo ou

7 Este ângulo (BG) é chamado ângulo de Bennet.



protrusivo, ou mover-se rectilínea e lateralmente. O movimento pode terminar em

qualquer ponto num triângulo de 60 graus.

Figura 2.6: Movimento lateral direito da mandíbula, com representação esquemática do movimento

no ponto incisivo no plano horizontal (CR, LL, P, RL) e na cabeça da mandíbula (W, C, B, P): CR - relação cêntrica; LL - lateral esquerda; P - protrusiva; RL - lateral direita; CO - oclusão

cêntrica; BG – ângulo de Bennett; de C a P - movimento protrusivo (imagem de [Major, 1987]).

Os modelos de movimentos mandibulares registados no plano frontal, Figura

2.7, variam grandemente com o tipo de relações de contacto oclusal. Com oclusões

excelentes e com movimentos mastigatórios desinibidos, o ciclo mastigatório tem

uma forma razoavelmente uniforme do tipo oval larga. No ciclo mastigatório, o

retorno ou a abertura a partir da oclusão central é muito irregular e pode mesmo

inverter-se próximo ao trajecto do golpe de fecho. Mais comum em pessoas com

liberdade irrestrita de movimentos de contacto oclusal é um trajecto suave não

cruzado de movimentos, que retorna muito proximamente à mesma posição

fechada para todo o golpe mastigador. O contacto oclusal durante a mastigação

ocorre quase invariavelmente em oclusão central, mas na maioria dos ciclos



existem contactos oclusais para parte do movimento de fecho e mesmo,

ocasionalmente, no movimento de abertura.

Figura 2.7: Figura de Posselt no plano frontal

(imagem de [Weingärtner, 1997]).

O movimento máximo de abertura é de 50 a 60 mm, dependendo da idade e do

tamanho do indivíduo, entretanto um limite de 40 mm pode ser normal. O

movimento de lateralidade máxima, na ausência de problemas na articulação e

sem dor, é cerca de 10 a 12 mm.

2.3: Oclusão

Nos dicionários, oclusão refere-se ao acto ou efeito de fechar, encerramento.

Em Medicina Dentária, os conceitos de oclusão variam com a especialidade. Comum

a muitas delas é a definição de oclusão estática, na qual os dentes superiores, por

intermédio de zonas específicas, contactam com os dentes inferiores.

2.3.1: Desenvolvimento da oclusão

Os dentes decíduos ou de leite, Figura 2.8, irrompem, geralmente, numa

sequência de anterior para posterior; isto é, na ordem incisivos, caninos e molares,

Tabela 2.1. O período de erupção destes dentes é devido, em grande parte, à

hereditariedade e, em pequena parte, a factores ambientais. O desenvolvimento e



a erupção dos dentes de leite são quase independentes do desenvolvimento e

maturação da criança como um todo. No entanto, o significado de factores

ambientais locais no desenvolvimento da oclusão, considerada no seu sentido

amplo, é relativamente desconhecido. Assim, a aprendizagem da mastigação pode

ser bastante dependente do estágio de desenvolvimento da oclusão (tipo e número

de dentes presentes), da maturação do sistema neuromuscular e de outros factores

como o regime alimentar.

Figura 2.8: Dentição de leite (imagens adaptadas de [ADMT, 2005]).

Tabela 2.1: Dentição de leite (dados de [Moore, 1999]).

Incisivo médio

Incisivolateral Canino 1º molar 2º molar

Erupção (meses) 6 a 8 8 a 10 16 a 20 12 a 16 20 a 24

Queda (anos) 6 a 7 7 a 8 10 a 12 9 a 11 10 a 12

A forma do arco primário é do tipo oval e a sua largura é estabelecida aos 9

meses de idade, tanto para a dentição de leite como para a permanente [Major,

1987]. Esta afirmação é algo surpreendente quando se compara a face de uma

criança com a de um jovem adulto, mas o que sucede é o aumento da dimensão

antero-posterior dos maxilares para a integração dos molares permanentes.

A posição dos dentes de leite nos arcos mostra, em geral, um certo

espaçamento interdental que tende a desaparecer com a erupção dos dentes

definitivos.

A sequência de erupção dos dentes permanentes varia mais do que a decídua e

não segue o mesmo padrão antero-posterior, Figura 2.9, Tabela 2.2. Além disso, há

diferenças significativas na sequência de erupção dos dentes superiores e inferiores



que não aparece na dentição primária. A sequência de erupção dos dentes

permanentes pode então variar, sendo a apresentada na Figura 2.10 a ideal para a

prevenção da maloclusão8. No caso dos segundos molares irromperem antes dos

pré-molares estarem completamente erupcionados, dá-se um encurtamento

significativo do perímetro do arco que vai dar origem a maloclusão, mesmo que as

dimensões do arco alveolar sejam adequadas para o tamanho da dentição

permanente.

Figura 2.9: Dentição definitiva (imagem adaptada de [ADMT, 2005]).

Tabela 2.2: Dentição definitiva (dados de [Moore, 1999]).

Incisivo médio

Incisivo laterais Canino 1º pré-

molar 2º pré-molar

1º molar

2º molar

3º molar

Erupção (anos) 7 a 8 8 a 9 10 a 12 10 a 11 11 a 12 6 a 7 12 13 a 25

No caso da dentição permanente, também os dentes inferiores irrompem antes

dos superiores. Esta tendência inverte-se em relação aos pré-molares, devido à

diferença no período de erupção dos caninos em ambos os arcos. Assim, no arco

inferior e superior o canino irrompe antes do pré-molar.

8 A maloclusão pode ser definida como qualquer desvio da oclusão normal (tanto do ponto de vista

morfológico como do funcional). Este termo também se pode referir a uma oclusão instável.



Figura 2.10: Sequência eruptiva favorável dos dentes

permanentes (imagem de [Major, 1987]).

Uma parte importante do arco dental no desenvolvimento da oclusão dos

dentes permanentes é o segmento pré-molar. Nesse segmento, os dentes pré-

molares apresentam dimensões mésio-distais significativamente menores do que os

molares primários que lhe substituem. A dinâmica desta modificação nas dimensões

do arco, particularmente no arco inferior, é importante para uma correcta

compreensão do desenvolvimento da oclusão e da maloclusão.

Um ponto complexo na análise da dentição mista é a diminuição do perímetro

do arco durante o crescimento da mandíbula. O perímetro do arco da dentição

permanente, medido a partir da face mesial dos primeiros molares inferiores,

diminui em média cerca de 4 mm. Isto ocorre ao mesmo tempo que a mandíbula e

o osso basal verificam um crescimento posterior significativo. Devido a essa

mudança ser observada em maior extensão na mandíbula do que na maxila, e

devido ao facto dos molares inferiores apresentarem uma acentuada tendência

para o desvio mesial, as relações oclusais estão activas durante os últimos estágios

da dentição mista. Parte do espaço que se torna disponível pelo “espaço

compensatório”9 deve ser utilizado para o alinhamento dos incisivos inferiores uma

vez que esses dentes irrompem com uma média de 1,6 mm de apinhamento. O

espaço remanescente será utilizado pelos molares inferiores. Esse movimento do

molar inferior corrige uma relação molar normal na dentição mista e na relação

molar normal na dentição permanente; isto é, a cúspide mésio-vestibular do

primeiro molar superior oclui na fossa central do primeiro molar inferior (relação

molar classe I de Angle).

9 O espaço compensatório é a diferença em tamanho entre os pré-molares e os molares decíduos.



2.3.2: Forma do arco dental

Os dentes superiores, bem como os inferiores, estão posicionados de tal modo

a formar um arco quando visto por oclusal10. Este arco é, em grande parte,

determinado pela forma do osso basal. De um modo geral, as más posições dos

dentes não alteram a forma do arco, mas se vários dentes estão mal posicionados,

podem-se verificar irregularidades ou assimetrias.

A forma do arco, como é definido pelo centróide dos dentes (centro da forma

oclusal), é uma curva parabólica. A forma foi descrita como sendo um segmento de

elipse, mas existem variações em forma de “U” (forma quadrada) e cónica. O arco

cónico, geralmente, aparece no arco superior como consequência de um

estreitamento patológico da porção anterior do palato pelo hábito de “chuchar no

dedo”.

As modificações na forma do arco dental, dentro de limites anatómicos, não

têm efeito significativo na oclusão. A forma do arco maxilar tende a ser mais larga

do que na mandíbula, ocasionando uma passagem dos dentes superiores sobre os

inferiores, quando em oclusão cêntrica (posição da máxima intercuspidação).

Esta relação do arco dental tem a vantagem de, durante a abertura e fecho da

boca, as bochechas, os lábios e a língua terem menos probabilidades de serem

mordidos. Uma vista lateral ou antero-posterior dessa ultrapassagem é designada

de sobressaliência.

Apesar da forma geral do arco dental poder ser elíptica, as superfícies

vestibulares não estão todas no contorno da elipse. Certos dentes (nomeadamente,

o incisivo lateral superior, os caninos superior e inferior e o primeiro molar

superior), devido ao seu tamanho ou forma, estão posicionados ligeiramente para

vestibular ou lingual da elipse ideal (em “U” ou segundo a forma cónica).

Os incisivos superiores estão posicionados de tal modo que as suas faces

linguais e dos caninos descrevem uma curva suave. Devido à menor espessura

vestíbulo-lingual dos incisivos laterais superiores, a face vestibular dos mesmos

está mais lingualmente colocada. A maior dimensão vestíbulo-lingual dos caninos

coloca a sua face vestibular em posição mais saliente, em relação a uma elipse

ideal, do que qualquer incisivo.

10 Visto lateralmente com os dentes fechados.



A face vestibular do primeiro molar superior está localizada vestibularmente

em relação à elíptica ideal, devido à largura vestíbulo-lingual desse dente. Essa

face é também bastante mais angulada com a face disto-vestibular mais lingual do

que com a médio-vestibular, permitindo assim à cúspide distovestibular uma

oclusão mais marcada com o primeiro molar inferior.

A estabilidade da oclusão e a manutenção das posições dos dentes dependem

das forças que agem sobre os mesmos. Forças oclusais, forças eruptivas, forças dos

lábios, das bochechas e da língua, estão todas envolvidas na manutenção da

posição dos dentes e enquanto estão equilibradas, os dentes e a oclusão

permanecem estáveis. Modificação na magnitude, duração ou na frequência numa

destas forças originam a perda de estabilidade e o desvio dos dentes com

consequente quebra duma oclusão previamente estável.

2.3.3: Ângulos cuspídeos, cúspides guias, planos e curvas oclusais

imaginários

O ângulo cuspídeo é formado pelas vertentes de uma cúspide que têm

intersecção com um plano que passa pela ponta da cúspide e que é perpendicular à

bissectriz da cúspide.

As cúspides maxilares vestibulares e mandibulares linguais são chamadas

cúspides guias. Os planos oclusais internos que se dirigem para essas cúspides são

chamados de planos inclinados guias, porque, nos movimentos de contacto, guiam

as cúspides de suporte para fora da linha média. Existem, assim, os planos

inclinados vestíbulo-oclusais11 dos dentes maxilares posteriores, e os planos

inclinados ocluso-linguais12 dos dentes posteriores inferiores.

Um plano de oclusão é um plano imaginário que contém as bordas incisais dos

incisivos centrais inferiores e a ponta das cúspides distovestibulares dos segundos

molares inferiores.

As superfícies oclusais dos arcos dentais geralmente adaptam-se a superfícies

curvas. O arco mandibular normalmente adapta-se a uma ou mais superfícies

11 Planos inclinados linguais das cúspides vestibulares. 12 Planos inclinados vestibulares das cúspides linguais.



aparentemente côncavas, enquanto que o arco oposto apresenta uma curvatura

aparentemente convexa.

Von Spee [Major, 1987] notou que as cúspides e a margem incisal dos dentes,

quando observados lateralmente, tendem a alinhar-se de maneira curva. Esta

curva, que está dentro do plano sagital, é conhecida como curva de Spee, Figura

2.11, e é determinada pela inclinação mesio distal dos dentes póstero inferiores.

Quando a curva de Spee é demasiado pronunciada pode indicar que existem

obstáculos que impedem os movimentos funcionais.

Figura 2.11: Curva de Spee (imagem de [Bastos, 2000]).

As pontas das cúspides de molares, projectadas no plano frontal, formam a

curva de Wilson, Figura 2.12. Esta curva modifica-se do primeiro para o terceiro

molares com o desgaste da dentição. A curva de Wilson nos primeiros molares

inferiores é côncava para os dentes inferiores, numa dentição sem desgaste, mas

torna-se convexa numa dentição desgastada. Já uma curva harmoniosa indica que a

movimentação lateral é suave.

A extensão da curva de Spee e da curva de Wilson a todas as cúspides e bordas

incisais revela a curva de Monson.

2.3.4: Angulação dos eixos dos dentes

O conhecimento da angulação dos eixos dos dentes, Figura 2.13, revela-se de

grande importância para a estabilidade oclusal. Apesar de não existirem regras



absolutas para descrever as relações axiais dos dentes superiores e inferiores em

oclusão cêntrica, sabe-se que cada dente está colocado no ângulo que melhor

resiste às linhas de força incidentes durante a função do mesmo.

Figura 2.12: Curva de Wilson (imagem de [Bastos, 2000]).

Figura 2.13: Angulação dos eixos dos dentes: A – incisivos; B – primeiro pré-molar; C – segundo pré-

molar; D – primeiro molar; E – segundo molar; F – terceiro molar (imagem de [Major, 1987]).

Os eixos dos dentes incisivos formam com o plano horizontal um ângulo de

cerca de 60º e um ângulo mais agudo com os dentes inferiores. Os caninos estão

localizados de tal modo, que os seus eixos são menos agudos seguidos pelos

primeiros pré-molares que se assemelham aos caninos na forma de se

posicionarem. Os eixos dos segundos pré-molares e dos primeiros molares

superiores são quase paralelos ao plano horizontal. Os segundos e terceiros molares

inferiores formam com a horizontal ângulos ligeiramente mais agudos que o eixo do

primeiro molar.



2.3.5: Forma funcional dos dentes

Quando os dentes de um arco entram em contacto oclusal com os seus

antagonistas durante os vários movimentos mandibulares, faces curvas, que podem

ser côncavas ou convexas, contactam-se. Uma face convexa, representando um

segmento do terço oclusal de um dente, pode entrar em contacto com um

segmento convexo ou côncavo de outro dente; no entanto, são sempre segmentos

curvos que entram em contacto, Figura 2.14.

Figura 2.14: Os terços incisal e oclusal da coroa dental apresentam

superfícies côncavas ou convexas em todas as áreas de contacto oclusal (imagem de [Major, 1987]).

A face lingual dos incisivos superiores apresenta uma certa superfície côncava,

onde a zona convexa da margem incisal dos incisivos inferiores entra em contacto

oclusal.

O contacto oclusal das cúspides, cristas marginais e sulcos dos dentes

posteriores multicuspidados podem ser traduzidos pelos desenhos esquemáticos da

Figura 2.15.

Embora os dentes em oclusão cêntrica pareçam intercuspidar intimamente,

verifica-se que existem escapes. Estes escapes, que podem atingir alguns

milímetros [Major, 1987], são necessários para que a oclusão seja eficiente durante

a mastigação.

As zonas de escape surgem em consequência das formas das cúspides, dos

sulcos e dos espaços interdentais, ou ameias quando os dentes ocluem, e são

alteradas quando a relação oclusal é modificada.



Figura 2.15: A - Desenho esquemático da face mesial das coroas dos primeiros molares superiores e inferiores em relação cêntrica (foram colocados círculos dentro dos contornos das formas cuspídeas

para enfatizar as curvaturas); B - Esquema das relações de contacto em dentes não desgastados; C - Modificação nas relações de contacto oclusal com o desgaste (imagem de [Major, 1987]).

2.3.6: Contacto oclusal

Uma vista vestibular de uma dentadura normal em oclusão cêntrica mostra que

cada dente de um arco oclui com porções de dois dentes do arco oposto, Figura

2.16, com excepção do incisivo central inferior e do terceiro molar superior. Cada

uma das excepções apresenta somente um antagonista no arco oposto. Tal serve

para equilibrar as forças de impacto na oclusão, distribuir o trabalho e auxiliar na

preservação da integridade da dentadura no caso da perda de um dente.

Figura 2.16: Relações vestibulares dos dentes nos arcos

opostos (imagem de [Bodin, 2004]).

A permanência da forma do arco depende do suporte mútuo dos dentes em

contacto. Em caso de perda de um dente, os restantes tendem a ocupar o seu

espaço de modo a preencher o vazio, conduzindo a uma perturbação das relações

de contacto.



Os arcos dentais formados por pares de dentes, um direito e outro esquerdo,

iniciam-se na linha mediana. Cada par é constituído por dois dentes semelhantes

em forma e dimensão, mas, uma vez que um é direito e o outro esquerdo, a forma

de contorno inverte-se de um lado e do outro, para acomodar a situação. Os

incisivos centrais só estão em contacto um com o outro na linha mediana; os outros

pares estão distais aos centrais e o representante de cada par estará à direita ou à

esquerda e em contacto em ambos os lados, com os representantes de outros

pares. Cada arco é simétrico bilateralmente ocorrendo a divisão em metade na

linha mediana.

O arco mandibular é mais estreito do que o arco maxilar, quando medido nas

faces vestibulares dos dentes posteriores. Esta relação é consequência das

diferenças na largura mésio-distal entre os dentes anteriores superiores e inferiores

(em particular os incisivos), e da projecção lingual das coroas dos dentes

posteriores inferiores.

O trespasse horizontal (sobressaliência) dos dentes é a característica na qual a

crista incisal ou crista da cúspide vestibular dos dentes superiores, se estende

vestibularmente à crista incisal, ou crista da cúspide vestibular dos dentes

inferiores, quando os dentes estão em relação de oclusão cêntrica, Figura 2.17.

O trespasse vertical (sobremordida) dos dentes é a característica na qual a

crista incisal dos dentes anteriores e superiores, estende-se abaixo da crista incisal

dos dentes anteriores inferiores, quando os dentes estão em relação de oclusão

cêntrica, Figura 2.17. A presença do trespasse horizontal nos molares previne a

mordida da bochecha.

As cúspides linguais dos dentes posteriores superiores e as cúspides

vestibulares dos dentes posteriores inferiores são as cúspides de suporte. Os pontos

cêntricos são as áreas de contacto que uma cúspide de suporte estabelece com os

dentes oponentes. A Figura 2.18, apresenta uma representação esquemática de

todos os pontos cêntricos.

As relações de contacto oclusal fora da oclusão cêntrica envolvem todos os

movimentos mandibulares possíveis localizados dentro dos movimentos

bordejantes. Esses movimentos são geralmente denominados por movimentos

lateral, lateral protrusivo, protrusivo e retrusivo. Os movimentos lateral e lateral

protrusivo, podem dar-se tanto para a direita como para a esquerda. Quando se



fala em movimento lateral, frequentemente exclui-se o movimento protrusivo

lateral e os movimentos básicos são reduzidos ao movimento lateral direito e

esquerdo (movimentos de protrusão e retrusão).

Figura 2.17: Sobressaliência e sobremordida

(imagem adaptada de [ADMT, 2005]).

Figura 2.18: Esquema idealizado para todos os contactos das cúspides de suporte

com fossas e cristas marginais dos dentes oponentes: A - arco superior; B - arco inferior (imagem de [Ramfjord, 1984]).

Durante o movimento lateral direito, a mandíbula baixa e os arcos dentais

ficam separados, a mandíbula move-se para a direita e os dentes contactam nos

pontos à direita da oclusão cêntrica no lado de trabalho direito. No lado esquerdo,

denominado lado de balanceio, os dentes podem ou não estar em contacto.

Por outro lado, durante o movimento protrusivo, a mandíbula baixa e move-se

directamente para a frente fazendo com que os dentes anteriores contactem nos

pontos mais favoráveis para a incisão dos alimentos. O movimento protrusivo é

seguido por um movimento retrusivo até à oclusão cêntrica.



Nos movimentos laterais de mastigação, a mandíbula vai para baixo e para a

direita ou para a esquerda em oclusão cêntrica. À medida que o ciclo de

movimento continua e retorna à oclusão cêntrica, as porções vestíbulo-oclusais dos

molares inferiores entram em contacto com as porções oclusais dos molares

superiores, lingualmente ao topo das cúspides vestibulares e em contacto com as

cristas triangulares das vertentes de cada um dos lados, continuando o contacto

deslizante até que a oclusão cêntrica seja completada.

2.4: Resumo

A mandíbula e a articulação temporomandibular formam um complexo sistema

biomecânico. A articulação temporomandibular é constituída por ossos, ligamentos,

disco articular e membrana sinovial e faz a ligação entre a mandíbula e o crânio. A

sua particular construção permite que a mandíbula, se mova segundo seis graus de

liberdade.

Os músculos masseter, temporal e pterigóideos estão directamente

relacionados com os movimentos da mandíbula que pode ser descida ou elevada,

retruída ou potruída e pode rodar em torno de um eixo horizontal.

Para os médicos dentistas, o conhecimento da trajectória 3D do ponto incisivo

projectada nos planos sagital, horizontal e frontal é importante na detecção de

disfunções temporomandibulares. Vários aspectos da oclusão, tais como o seu

desenvolvimento, a forma do arco dental, a forma funcional dos dentes também

podem ser reveladores quanto à existências de problemas ao nível da articulação.

Torna-se assim importante em Medicina Dentária a utilização de dispositivos

que permitam a aquisição e análise do movimento mandibular 3D.


3. Disfunções Temporomandibulares:

Causas e Diagnóstico

Disfunções Temporomandibulares: Causas e Diagnóstico

3.1: Disfunções temporomandibulares

A expressão “disfunções temporomandibulares” (DTM) tem sido usada como um

termo genérico para diagnosticar dores faciais e disfunções maxilares. Apesar de

ser referido como síndrome, actualmente os investigadores apoiam a ideia de que

as DTM sejam um grupo de problemas relacionados com o sistema mastigatório,

anormalidades morfológicas intra-articulares, mialgias, diferentes tipos de

deslocamentos do disco, doenças articulares degenerativas, artrites inflamatórias,

sinusais e condições congénitas e neoplásticas que afectam a articulação

temporomandibular [Crusoe-Rebello, 2003].

A identificação precisa dos sintomas referidos anteriormente permite

classificar as disfunções como articulares e musculares, e o seu correcto

diagnóstico revela-se de grande importância para a definição do plano de

tratamento mais apropriado.

Os problemas temporomandibulares podem-se manifestar através de dores

intensas nas articulações, mialgias nos músculos mastigadores, ruídos articulares e

anomalias na cinemática mandibular [Laplanche, 2002]. A oclusão também pode

ser afectada sendo responsável pelo desgaste excessivo dos dentes ou mesmo pela

perda destes [Weingärtner, 1997, 1998]. Ramfjord [Ramfjord, 1984] acrescenta que

as disfunções podem prejudicar (contínua ou intermitente) a audição e provocar

sensação de falta de ar ou “obturação” nos ouvidos (nos momentos da refeição),

sensação de assobio, vertigem e dor nebulosa dentro e em redor dos ouvidos.

Oliveira [Oliveira, 2003] afirma que dores cervicais também podem ser resultado

destas disfunções.

Os dados actuais [Lapanche, 2002] revelam que não existe um paralelo

anatomo-clinico; isto é, grandes alterações morfológicas não implicam

obrigatoriamente impotência funcional e que não existe um método terapêutico

invasivo (cirurgia, reabilitação oclusal total, etc.) que seja superior aos

tratamentos convencionais. Assim sendo, o tratamento das disfunções passa pela

sedação dos sintomas dolorosos, pelo aumento da mobilidade mandibular, com o

objectivo de melhorar as funções mastigatórias, pela optimização das condições

funcionais (posição dos côndilos, funcionamento neuromuscular, etc.) afim de



favorecer a adaptação fisiológica dos tecidos e, finalmente, pela optimização

eventual das funções oclusais, com o objectivo de melhorar o compromisso entre o

decurso da terapia e os benefícios desta.

3.2: Diagnóstico das disfunções temporomandibulares

De modo a evitar diagnósticos imprecisos e tratamentos incorrectos, deve-se

fazer um exame físico ao paciente e estudar a sua história clínica.

Aquando da elaboração da história clínica, o dentista deve ouvir as queixas do

paciente e indagar no sentido de recolher informações pertinentes sobre os

sintomas: é importante saber quando surgiram, o tipo e a distribuição da dor, se a

dor está associada a um tipo de movimento mandibular em particular, à

mastigação, a um determinado momento do dia, ao bruxismo13, etc. Também é

relevante saber se existe alguma restrição ou impedimento dos movimentos

mandibulares, se existem ruídos ou estalos nas articulações temporomandibulares e

se existem sintomas periféricos nas mesmas articulações.

Também devem ser recolhidas informações sobre a existência de artrite ou

reumatismo noutras partes do corpo, mialgias ocupacionais e posturais, tensões

psíquicas ou emocionais, tensão e fadiga físicas e sobre doenças e desordens

sistémicas. O comportamento do paciente durante a elaboração da história clínica

deve ser observado com atenção porque pode ser revelador do seu estado psíquico.

O exame físico deve incluir um exame sistemático da articulação

temporomandibular, da cabeça e do pescoço e algumas observações do corpo todo.

Por vezes, para um correcto diagnóstico das disfunções, pode ser necessário

recorrer a exames radiográficos e a testes terapêuticos.

O médico dentista deve verificar se existe assimetria da face e/ou da cabeça e

outras irregularidades que possam indicar hipertrofia ou atrofia dos músculos,

intumescimento ou lesão traumática.

O padrão do movimento mandibular também pode ser revelador quanto à

existência de disfunção. Os desvios dos movimentos mandibulares podem estar

13 A palavra bruxismo é utilizada, em Medicina Dentária, para designar o ranger e desgaste dos dentes por

propósitos não funcionais.



relacionados com interferências oclusais, fracturas, paralisia muscular e distúrbios

na articulação.

A palpação das articulações com os dentes em oclusão e em repouso, com os

movimentos de abertura e fecho da mandíbula é essencial para detectar estalidos.

Assim, deve-se notar se existem ruídos nas articulações, sinais de bruxismo e

hiperactividade muscular.

A análise funcional do sistema mastigatório deve incluir uma tentativa de

localização da relação cêntrica e das interferências oclusais, na relação cêntrica e

no movimento de translacção protusivo e de lateralidade da mandíbula. As facetas

de desgaste sobre os dentes, a mobilidade destes e qualquer indicação traumática

instável ou não equilibrada devem ser anotadas.

O modo de andar e a postura do paciente podem revelar doenças ósseas e

articulares, desordens musculares e doenças do sistema nervoso.

O exame radiográfico é essencial para detectar alterações condilianas,

fracturas ou fracturas cicatrizadas anormalmente, osteoartrite, doenças dos

ouvidos, seios nasais e paranasais, alterações dentárias, doença periodontal,

hiperplasia unilateral do condilo e neoplástica, [Ramfjord, 1984].

A duração do período de silêncio dos músculos masseter e temporal, obtida por

electromiografia14, pode ser útil no diagnóstico da síndrome de disfunção dos

músculos e da articulação.

3.3: Aquisição e análise do movimento mandibular

Segundo Laplanche [Laplanche, 2002] a análise do movimento mandibular é um

elemento importante no diagnóstico do funcionamento do aparelho mastigador

porque as limitações na abertura da boca, os desvios e as deflexões nas trajectórias

mandibulares funcionais são muitas vezes sinais clínicos que testemunham uma

cinemática condiliana perturbada. No entanto, o mesmo autor afirma que mesmo

quando a análise cinemática avalia perfeitamente o grau de impotência ou da

alteração funcional, não é um indicador muito sensível nem especifico do

deslocamento condilano devido a fenómenos de compensação (uma sobre-rotação

14 A electromiografia faz o registro das cargas eléctricas sobre os músculos.



condiliana pode permitir uma abertura normal apesar de, por exemplo, existir uma

desunião condilo-discal bilateral permanente), e à ausência da quantificação

precisa dos deslocamentos mandibulares, espaciais e temporais. Esta ideia é

também reforçada por Lewis [Lewis, 2000] e por Petrie [Petrie, 2003].

Actualmente, existem vários dispositivos que permitem fazer a aquisição e a

avaliação do movimento mandibular e condiliano, obtendo os valores necessários

para montar e ajustar correctamente os moldes dos maxilares nos articuladores, de

forma a que estes reproduzam o mais fielmente possível os movimentos

mandibulares dos pacientes em estudo. Tanto os sistemas comerciais correntes

como os dispositivos desenvolvidos à medida, têm exactidão adequada mas são

considerados demasiado caros e de difícil utilização comum, pelo que geralmente o

seu uso se restringe a casos clínicos especiais e aos hospitais universitários [Kinuta,

2003; Petrie, 2003].

Um dos exames mais comuns para analisar o movimento mandibular é a

axiografia. Trata-se de um registro gráfico dos movimentos condilianos: são

registrados e traçados os movimentos do eixo charneira condiliano

simultaneamente nos planos sagital, frontal e horizontal.

Na axiografia mecânica, os traçados são feitos por marcadores, colocados sobre

o eixo charneira15, que se deslocam sobre as placas parasagitais estabilizadas por

um arco pericraniano. Os deslocamentos horizontais são medidos com um

comparador e os valores são depois transpostos para um gráfico. Os traçados são

orientados em relação ao plano axio-orbital (“axio-orbitaire”) e a dois planos

perpendiculares que definem um referencial ortonormal.

Outro exame comum é a condilografia que utiliza o mesmo princípio da

axiografia. Neste exame é realizada uma análise instrumental da cinemática

condiliana recorrendo a um condilógrafo que traça os movimentos do eixo

charneira bicondiliano, simultaneamente nos planos sagital e horizontal, nas placas

sagital e sub-horizontal fixas num arco pericraniano.

A pantografia é um outro método consensual para registar os movimentos

mandibulares, que utiliza pantógrafos para registar os movimentos bordejantes 3D

da mandíbula.

15 O princípio da axiografia reside na supressão da componente de rotação, pelo que os marcadores têm

que ser colocados imperativamente sobre o eixo charneira.



Seguidamente, são resumidamente descritos alguns dispositivos comerciais e

desenvolvidos à medida que permitem a análise do movimento mandibular.

3.3.1: Sistema Zebris JMA system

O sistema Jaw Motion Analyzer (JMA) da Zebris Medical GmbH (Alemanha,

[www.zebris.com]) usa ultrasons para registar os movimentos mandibulares, Figura

3.1. O referido sistema é composto por três transmissores, montados num suporte

que é fixo com uma “cola” nos incisivos inferiores, e por quatro receptores

montados num arco facial ajustável à cabeça do paciente. Um computador controla

a emissão dos ultrasons, e mede o tempo gasto desde a emissão até à recepção por

cada um dos receptores; o tempo é então convertido em distância permitindo

determinar a posição dos transmissores em relação ao arco facial. As distâncias são

depois transformadas em três coordenadas cartesianas e em três ângulos de

rotação, constituindo os seis graus de liberdade da posição do centro do

transmissor em relação a um sistema de referência predeterminado. A trajectória é

guardada num ficheiro ASCII e os vários parâmetros (ângulo de Bennett, inclinação

condilar, etc.) são calculados em função do articulador desejado com os

parâmetros obtidos [Enciso, 2002; Hugger, 1999].

Figura 3.1: Sistema Jaw Motion Analyzer (JMA) da Zebris GmbH

(imagem de [Enciso, 2002]).

O utilizador pode escolher e introduzir os pontos de referência no sistema com

a ajuda de um dispositivo apropriado.



Hugger [Hugger, 1999] mostrou que os erros de medida deste sistema são

independentes da extensão do movimento; este facto torna o sistema JMA

apropriado para registar movimentos amplos (movimentos bordejantes).

3.3.2: Sistema ARCUSdigma

O sistema ARCUSdigma da Kavo (Alemanha, [www.kavo.com]), derivou do JMA

da Zebris GmbH. Tal como o JMA, o ARCUSdigma mede o tempo que os impulsos de

ultrasons demoram desde os três transmissores colocados num suporte, que é fixo

na mandíbula, até aos quatro receptores montados num arco facial, Figura 3.2.

Figura 3.2: Sistema ARCUSdigma da Kavo

(imagem de [www.kavo.com]).

Para calcular os ângulos sagital e horizontal, essenciais para regular as guias

posteriores do articulador a considerar, é necessário definir um plano em relação

ao qual os movimentos serão registados, Figura 3.3; para tal, tem que se colocar o

suporte inferior alinhado de modo a que os três transmissores fiquem no plano

horizontal e que o eixo mais longo fique alinhado com o plano sagital e registar a

posição da relação cêntrica. O passo seguinte, é o registo dos vários movimentos

mandibulares. O programa computacional que acompanha o ARCUSdigma traça

tangentes às trajectórias e calcula automaticamente os ângulos sagital (inclinação

condiliana) e horizontal (ângulo de Bennett), [Pröschel, 2002]. Com os valores

obtidos é então possível montar os moldes dos dentes no articulador desejado.



Enquanto que a maioria dos sistemas procura transferir as diferentes

geometrias craniomandibulares do paciente para os simuladores mecânicos

associados (os já referidos articuladores), este sistema faz o inverso, limitando

assim o uso das medidas obtidas ao articulador produzido pela própria Kavo.

Figura 3.3: Os quatro passos necessários para a aquisição do movimento com o

sistema ARCUSdigma (imagem de [Pröschel, 2002]).

3.3.3: Sistema K7 Evaluation System

O dispositivo K7 Evaluation System da Myotronics (USA,

[www.myotronics.com]), baseia-se na variação de um campo magnético para

registar o movimento da mandíbula. Vários sensores montados num arco facial

leve, Figura 3.4, seguem o rasto de um pequeno íman, com 12 x 6 x 3 mm de

dimensões colado nas gengivas junto aos incisivos inferiores, Figura 3.5. Esta

configuração é vantajosa, pois não interfere nos movimentos realizados pelo

paciente e não dificulta o acesso à cavidade bucal, [Garcia, 2003; Leles, 2003].



Figura 3.4: Sistema K7 Evaluation System da Myotronics

(imagem de [Garcia, 2003]).

Figura 3.5: Íman utilizado para detectar o movimento, montado

sobre os incisivos (imagem de [Leles, 2003]).

O sistema K7 é vendido juntamente com um programa computacional que

permite gravar e rever os movimentos adquiridos, mas que não calcula o ângulo de

Bennett nem a inclinação condiliana, Figura 3.6.

Segundo o fabricante, este sistema é virtualmente imune a pequenos

movimentos da cabeça, a objectos metálicos próximos e também a interferências

electrónicas.

3.3.4: Sistemas ópticos

Leader [Leader, 2002] descreve um sistema para adquirir a cinemática

mandibular durante os seus movimentos naturais utilizando um sistema de

coordenadas não ortogonal móvel, Figura 3.7.

No referido sistema, duas câmaras posicionadas ortogonalmente, e a

sensivelmente 75 cm do paciente, registam a trajectória de sete marcadores



esféricos, cada um com 10 mm de diâmetro, montados não colinearmente num

suporte adaptável aos incisivos inferiores e de 3 marcadores, cada um com 13 mm

de diâmetro, montados não colinearmente num capacete. Todos os marcadores são

reflectores, e quatro dos sete marcadores montados no suporte inferior são

detectados por ressonância magnética (“magnetic resonance imaging” - MRI).

Figura 3.6: Interface gráfica que acompanha o sistema K7 Evaluation System da Myotronics (imagens de [www.myotronics.com]).

a) b)

Figura 3.7: Paciente sentado no interior do campo de visão das duas câmaras posicionadas ortogonalmente. O paciente usa um suporte com marcadores

inferiores e um capacete de referência (imagem de [Leader, 2002]).

Para captar o movimento, os marcadores são iluminados por led’s vermelhos, e

uma imagem estática do suporte é usada para calcular a orientação entre o

movimento e os marcadores MRI. As coordenadas 2D obtidas pelas duas câmaras são

depois transformadas em coordenadas 3D.

A estereofotogrametria permite determinar a trajectória espacial dos pontos

usando tramas sucessivas duma película. Mesnard [Mesnard, 2003] aplicou esta



técnica ao estudo da cinemática da articulação temporomandibular, de modo a

identificar todos os deslocamentos da mandíbula e do sistema do menisco em

relação ao crânio. Três pontos de posicionamento foram associados com a maxila, e

outros três pontos foram associados com a mandíbula; como os tecidos cutâneos

são demasiados móveis, as zonas ósseas em questão são muito pequenas e o uso de

agulhas seria muito doloroso, os pontos são assim definidos em placas que foram

fixas a dois arcos dentais moldados em metil metracrilato, Figura 3.8. A cada

conjunto de pontos foi definido um referencial. Os seis pontos são então adquiridos

por duas câmaras de vídeo previamente calibradas, e as coordenadas dos pontos e

das trajectórias são depois determinadas por um algoritmo computacional

específico.

a) b)

Figura 3.8: Sistema desenvolvido por Mesnard: a) Molde dos dentes do paciente e a calha onde vão ser montados os alvos; b) Alvos “montados” no

paciente (imagens de [Mesnard, 2003]).

A rápida evolução das câmaras de vídeo digital de uso pessoal, permitiram que

Kinuta [Kinuta, 2003] desenvolve-se um outro sistema para o registo do movimento

mandibular, Figura 3.9 e Figura 3.10. Este sistema utiliza apenas uma câmara, um

espelho e um programa computacional para a aquisição de movimento e permite

detectar de modo automático, contínuo e preciso o movimento realizado por vários

marcadores.



Figura 3.9: Sistema desenvolvido por Kinuta

(imagem de [Kinuta, 2003]).

Figura 3.10: Imagem obtida pela câmara utilizada

por Kinuta (imagem de [Kinuta, 2003]).

3.4: Resumo

A expressão “disfunções temporomandibulares” (DTM) é usada como um termo

genérico para um grupo de problemas relacionados com o sistema mastigatório,

anormalidades morfológicas intra-articulares, mialgias, diferentes tipos de

deslocamentos do disco, doenças articulares degenerativas, artrites inflamatórias,

sinusais e condições congénitas e neoplásticas, que afectam a articulação

temporomandibular.

Sendo a articulação temporomandibular essencial para morder e mastigar, a

dor é incapacitante e reduz consideravelmente a qualidade de vida de quem a



sente. Para um correcto diagnóstico das DTM deve-se fazer um exame físico

cuidado ao paciente e estudar a sua história clínica.

Existem vários sistemas para proceder à aquisição do movimento mandibular

mas são considerados caros e de difícil utilização. Dos sistemas comerciais,

salienta-se o sistema Jaw Motion Analyzer (JMA) da Zebris Medical GmbH e o

sistema ARCUSdigma da Kavo, que utilizam os ultrasons para registar o movimento

mandibular, e o sistema K7 Evaluation System da Myotronics que utiliza sensores

electromagnéticos.

Esta dificuldade de utilização e preço elevado dos sistemas actualmente

existentes, para a aquisição e análise do movimento mandibular 3D, justificam a

tentativa de desenvolvimento de um novo sistema que ultrapasse satisfatoriamente

tais limitações.


4. Introdução ao Desenvolvimento de Produto e

Apresentação do Caso em Estudo

Introdução ao Desenvolvimento de Produto e Apresentação do Caso em Estudo

4.1: Introdução ao Desenvolvimento de Produto

O sucesso económico de uma empresa reside na sua capacidade de identificar

as necessidades dos actuais e potenciais novos clientes, e de desenvolver

rapidamente produtos que satisfaçam essas necessidades e sejam produzidos com o

menor custo possível. Para atingir tais objectivos não basta definir uma boa

estratégia de marketing, um plano de produção cuidado ou ter produtos com um

design arrojado, é preciso ter um processo global de desenvolvimento de produto

que inclua todas estas vertentes de forma integrada.

Pode-se definir “produto” como algo que uma empresa vende aos seus

clientes, e “desenvolvimento de produto” como o conjunto de actividades

necessárias para a sua produção. Neste conjunto de actividades, inclui-se a

detecção de uma oportunidade de mercado, o desenvolvimento de conceitos, a

análise económica, a concepção de desenhos técnicos e modelos, a elaboração de

protótipos e planos de produção, a produção de algumas unidades do produto, o

teste e ensaio, a produção em larga escala, o marketing e a distribuição e venda.

Vários autores (por exemplo Ulrich [Ulrich, 2000], Marxt [Marxt, 2005] e Vajna

[Vajna, 2005]) afirmam que o desenvolvimento do produto é uma actividade

interdisciplinar que requer a participação de (quase) todos os membros de uma

empresa. A organização e o tipo de equipas depende muito das empresas

envolvidas e do tipo de produtos a desenvolver, mas existem três áreas

fundamentais: o marketing, a concepção e desenvolvimento, e a produção.

O marketing é a área responsável pela ligação entre a empresa e os clientes;

são os elementos desta área, que identificam as oportunidades de mercado e as

necessidades dos clientes alvo, definem os segmentos de mercado, realizam a

divulgação da empresa, definem o preço final do produto e são responsáveis pelo

lançamento e pela promoção do mesmo.

O papel da concepção e desenvolvimento, que inclui obviamente o design de

produto, é essencial no desenvolvimento do produto porque define a forma e as

propriedades físicas que melhor respondem às necessidades dos clientes alvo.

Neste contexto, design inclui o design industrial (a estética, a ergonomia e as



interfaces) e a engenharia (componentes mecânicos, eléctricos, aplicações

computacionais, etc.).

À produção cabe a tarefa de desenvolver e operar o sistema que irá produzir o

produto em causa, e tratar dos processos de compra e de distribuição de todas as

matérias-primas necessárias para tal.

Usualmente, o desenvolvimento de um produto não é um processo rápido, de

baixo custo, nem fácil. De acordo com Ulrich [Ulrich, 2000], a maioria dos produtos

precisam pelo menos de um ano até estarem concluídos, mas existem produtos que

precisam de três, cinco ou mesmo dez anos. Quanto aos custos envolvidos, estes

são obviamente proporcionais ao número de elementos envolvidos na equipa de

concepção e desenvolvimento e ao seu nível técnico, e ao tempo despendido por

estes.

O desenvolvimento de um produto é um verdadeiro desafio: é preciso gerir

sensatamente as relações de compromisso, ser dinâmico na tomada de decisões,

dar atenção aos “mais insignificantes” pormenores, terminar o desenvolvimento em

tempo útil, de modo a satisfazer as necessidades actuais dos clientes, e ter sempre

em atenção o custo final.

O processo de desenvolvimento de um produto é uma sequência de

actividades, na sua maioria intelectuais e organizacionais, que as empresas

utilizam para conceber, desenhar, produzir e comercializar um determinado

produto. Algumas empresas seguem planos de desenvolvimento detalhados,

enquanto outras são incapazes de descrever o seu processo criativo. No entanto,

processos de desenvolvimento de produto bem definidos são preferíveis por

ajudarem a garantir um nível de qualidade adequado, facilitarem a coordenação

entre os diferentes membros da equipa, auxiliarem a planear e gerir correctamente

todas as situações existentes, e por garantirem a existência de um registo

adequado de todas as actividades envolvidas, para que mais tarde seja possível

melhorar o mesmo produto e o seu ciclo de vida e de produção.

A Figura 4.1 ilustra um processo genérico de desenvolvimento de um produto.

Normalmente, este processo é composto por seis fases: planeamento,

desenvolvimento de conceitos, projecto de sistemas, projecto de detalhe, ensaios

e refinamento e, finalmente, o lançamento em produção.



O planeamento é muitas vezes referido como a “fase 0” de um produto, uma

vez que antecede a aprovação do projecto e o lançamento do desenvolvimento do

mesmo. Esta fase inicia-se com a definição de uma estratégia adequada e a

avaliação da tecnologia envolvida e do mercado alvo. Desta etapa resulta um

documento intitulado “declaração da missão do projecto” (“project mission

statement”) que especifica o mercado alvo, os objectivos do negócio, os

pressupostos assumidos (“key assumptions”) e as restrições.

Planeamento Desenvolvimento de

conceitos Arquitectura do sistema

Projecto de detalhe

Teste e refinamento

Lançamento em produção

Figura 4.1: Processo genérico de desenvolvimento de produto (imagem adaptada de [Ulrich, 2000]).

Durante o desenvolvimento de conceitos, as necessidades do mercado alvo são

identificadas, desenvolvidos e avaliados vários conceitos e um ou mais conceitos

são seleccionados para prosseguir com o desenvolvimento do produto. Neste

contexto, conceito refere-se à descrição da forma, da função e das características

do produto.

O projecto do sistema inclui a definição da arquitectura do produto e a

decomposição deste em subsistemas e nos seus componentes. Também é comum

definir durante esta fase o esquema de produção a adoptar. Geralmente, desta

etapa resulta o desenho (layout) geométrico do produto, a lista de especificações

de cada um dos seus subsistemas, e um diagrama preliminar da sequência de

montagem do produto final.

O projecto de detalhe envolve a especificação completa da geometria do

produto, dos materiais utilizados, das tolerâncias dimensionais e geométricas e das

qualidades superficiais dos componentes que constituem o produto, e identificação

dos componentes que irão ser adquiridos a terceiros. Quando necessário, é durante



esta etapa que se fabricam os dispositivos e as ferramentas necessárias à produção

interna.

Durante a fase de ensaios, testes e refinamento, constroem-se e avaliam-se

várias pré-produções do produto, geralmente designadas por protótipos.

A derradeira fase no desenvolvimento usual de um produto é o lançamento em

pré-produção. Nesta etapa, o produto é produzido usando-se já o sistema de

produção final. O objectivo principal deste processo é preparar quem vai operar

com o sistema de produção em larga escala e resolver alguns problemas que ainda

possam persistir no ciclo de produção. Os produtos que resultam desta fase muitas

vezes são enviados e testados por alguns consumidores, previamente identificados

como representativos do público-alvo em questão, de forma a detectar algumas

falhas ainda não determinadas.

O produto diz-se lançado quando fica disponível para a sua distribuição em

larga escala.

4.2: Apresentação do caso em estudo: Desenvolvimento de um sistema

protótipo para aquisição e análise do movimento mandibular 3D

4.2.1: Introdução

No caso concreto deste trabalho, o processo de desenvolvimento de um novo

produto começou com a identificação de uma oportunidade: a ideia do

desenvolvimento de um sistema para a aquisição e análise do movimento

mandibular 3D surgiu durante uma conversa com um médico dentista. Assim, foi

durante essa conversa que começaram a ser delineadas as primeiras “necessidades

do cliente”.

Para obter uma oclusão satisfatória é necessário simular correctamente as

articulações temporomandibulares, posicionar correctamente os modelos dentários

produzidos e, usando articuladores apropriados, reproduzir fielmente os

movimentos mandibulares envolvidos do paciente em análise. Para tal, é necessário

conhecer os dados pessoais do referido paciente: o ângulo de Bennett e a

inclinação condilia (ver o segundo capítulo desta Dissertação). Apesar de serem



importantes, usualmente estes valores são pouco utilizados porque a maioria dos

médicos dentistas possuem nos seus consultórios articuladores simples que usam

valores médios, e assim não podem ser devidamente personalizados ao paciente em

questão.

Para os médicos dentistas é importante conhecer tanto a relação cêntrica16

como os movimentos retruídos. A relação cêntrica merece consideração por ser

facilmente reproduzida nos articuladores, e os movimentos retruídos são essenciais

para calcular os ângulos necessários para montar nos articuladores os modelos dos

maxilares produzidos para um dado paciente.

De um modo geral, o conhecimento da trajectória da mandíbula não é

importante, mas assume um papel de destaque na determinação das relações

oclusais nos desdentados.

Durante a referida conversa com o médico dentista, o facto do equipamento

médico ser bastante dispendioso foi muitas vezes referido, sendo apontado como

um dos motivos principais pelos quais a maioria dos profissionais da área possuírem

equipamento o mais simples possível. Um outro aspecto salientado, foi a

necessidade do equipamento a usar ser cómodo para o paciente e fácil de utilizar

pelo seu operador, para que nenhum destes se sentisse tenso aquando da sua

utilização.

Conhecidas as “necessidades do cliente”, estudou-se a articulação

temporomandibular (segundo capítulo desta Dissertação) e identificaram-se alguns

dos sistemas existentes para a aquisição do movimento mandibular 3D (terceiro

capítulo), só então foram definidas as “especificações do produto” pretendido; ou

seja, as características que o produto a desenvolver deveria cumprir: o sistema

deveria registar a trajectória 3D da mandíbula (do ponto incisivo), permitir

visualizar e analisar graficamente os resultados da aquisição do movimento

envolvido, e fornecer as coordenadas do ponto incisivo em cada instante do

movimento. Finalmente, o produto deveria ser cómodo para o paciente, fácil de

utilizar e ter um preço o mais baixo possível.

16 A relação cêntrica corresponde à trajectória de abertura e de fecho, sem translação das

cabeças da mandíbula na qual os côndilos estão na posição mais superior e medial na fossa mandibular.



4.2.2: Desenvolvimento do sistema protótipo

O conceito de um produto corresponde a uma descrição aproximada da

tecnologia, do modo de funcionamento e da forma. O processo de geração de

conceitos começa com as necessidades do cliente alvo e as especificações de

produto pretendido e termina com um conjunto de conceitos que os satisfazem,

dentro desse conjunto é seleccionado o conceito a desenvolver.

Neste caso, começou-se por escolher o princípio de funcionamento do sistema

de aquisição a desenvolver, por a sua estrutura de suporte depender fortemente da

tecnologia considerada.

Primeiramente, ponderou-se num sistema de ultra-sons baseado no tempo de

voo; isto é, no tempo que um impulso de ultra-sons demora desde a sua emissão

até à recepção de forma a determinar-se a distância 1D envolvida. Assim, seriam

necessários pelo menos três transmissores e três receptores montados em suportes

adequados, sendo um destes suportes solidário com a mandíbula. O suporte móvel,

mesmo sendo leve, devido às dimensões físicas que deveria ter (impostas pelos

sensores), poderia distrair o paciente aquando do processo de medição. No

entanto, este sistema seria de fácil utilização e a exactidão obtida estaria

dependente da qualidade dos sensores usados.

O movimento mandibular também podia ser registado recorrendo a câmaras de

vídeo. Assim, por exemplo, duas câmaras montadas adequadamente registariam a

trajectória 3D de várias marcas colocadas na face do paciente. Esta seria uma

solução fácil e cómoda para o paciente, mas difícil para o operador porque existem

vários factores externos que interferem na calibração das câmaras e no pós-

processamento dos dados adquiridos; como por exemplo, condições de iluminação,

distâncias envolvidas, fundos complexos, etc.

Seguidamente, os LVDT’s (“linear variable differential transducer”) foram

também considerados, mas foram rapidamente excluídos por um dos seus

constituintes ter de ser solidário com o movimento pretendido. Também se

ponderou a possibilidade de usar alguns sistemas mecânicos de medição, mas todos

eles se mostraram demasiado complicados de usar.

Os sensores electromagnéticos registam campos magnéticos. Actualmente, são

utilizados nas mais variadas aplicações reais devido ao seu tamanho reduzido,



consumo diminuto e preço relativamente baixo. Este foi o tipo de sensores

escolhido para registar o movimento mandibular 3D pretendido, porque permite

efectuar as medições envolvidas sem contacto (logo sem interferir no movimento) e

conceber um sistema de aquisição leve, cómodo para o paciente e fácil de operar

pelo médico dentista.

O campo magnético a ser medido pelos sensores é criado por um pequeno íman

que o médico dentista deverá colar na mandíbula do paciente (junto ao ponto

incisivo).

Escolhida a tecnologia a adoptar, foi necessário definir a estrutura de suporte

para o sistema de aquisição. Existiam duas hipóteses: idealizar um novo arco facial

para suportar os sensores ou realizar o redesign de um já existente.

Ao conceber uma nova estrutura, ter-se-ia maior liberdade na escolha das

formas, mas ao mesmo tempo criar-se-ia mais um equipamento a ser

obrigatoriamente adquirido pelos médicos dentistas. Por outro lado, do ponto de

vista do desenvolvimento de produto, adaptar um arco facial pareceu ser uma

solução mais vantajosa, porque possibilitaria reduzir o tempo de investigação e de

desenvolvimento. Já do ponto de vista dos utilizadores, como de um modo geral, os

dentistas possuem arcos faciais nos seus consultórios e já estão familiarizados com

os mesmos, acrescentar-se-ia apenas uma nova função a um equipamento usual.

Tal solução também seria benéfica, em termos económicos, porque estes

profissionais apenas teriam de comprar os componentes referentes ao sistema de

aquisição.

De entre os vários arcos faciais existentes no mercado o escolhido foi o Arcus

da empresa alemã Kavo. Como o referido arco foi originalmente concebido para

fazer apenas medições estáticas, o primeiro passo na adaptação para a nova função

da aquisição do movimento 3D foi o redesign das peças que poderiam dificultar a

medição dinâmica ou mesmo magoar o paciente.

Para mais facilmente manusear os sensores electromagnéticos foram

desenvolvidas placas de circuito impresso, e para as suster no arco facial foi

desenvolvido um suporte dedicado para os mesmos.

A materialização de protótipos surge como uma etapa natural do processo de

desenvolvimento de um produto. Um modelo físico permite aferir de forma

palpável as características de um produto e confrontá-las com as idealizadas,



permitindo assim corrigir eventuais erros de projecto numa fase inicial sem causar

grandes prejuízos. Assim sendo, recorreu-se à prototipagem rápida para produzir as

novas peças. Os modelos obtidos por estereolitografia foram posteriormente

utilizados nos testes experimentais.

Terminado o redesign do arco facial, foi desenvolvida uma interface gráfica

para a análise do movimento adquirido recorrendo à ferramenta LabVIEW da

National Instruments [www.ni.com/labview/]. Procurou-se desenvolver uma

interface gráfica intuitiva na qual o médico dentista pudesse registar comodamente

todas as informações relevantes para o diagnóstico das disfunções

temporomandibulares. Também se considerou, na referida interface, a

possibilidade de o operador imprimir em papel, ou guardar em formato digital, a

informação recolhida durante cada exame na forma de um relatório.

Finalmente, ponderou-se a comercialização do sistema protótipo.

4.3: Resumo

O “desenvolvimento de um produto” pode ser definido como o conjunto de

actividades necessárias para a produção de um dado produto. Neste conjunto de

actividades, inclui-se a detecção de uma oportunidade de mercado, o

desenvolvimento de conceitos, a análise económica, a concepção de desenhos

técnicos e modelos, a elaboração de protótipos e planos de produção, a produção

de algumas unidades do produto, o teste e ensaio, a produção em larga escala, o

processo de marketing e finalmente a sua distribuição e venda.

Como o desenvolvimento do produto é uma actividade interdisciplinar que

requer a participação de (quase) todos os membros de uma empresa, é conveniente

utilizar processos bem estruturados para facilitar a produção de produtos de

qualidade superior.

Neste trabalho, procurou-se percorrer todos os referidos passos de modo a que

nenhum pormenor fosse esquecido. Assim, o processo de desenvolvimento do

sistema protótipo para a aquisição e análise do movimento mandibular 3D começou

com a identificação de uma necessidade, em seguida foram definidas as



especificações do produto. A esta fase inicial seguiu-se o desenvolvimento dos

conceitos, o projecto e a realização de protótipos.


5. Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para

Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D

Desenvolvimento de um Sistema Protótipo para Aquisição e Análise do Movimento Mandibular 3D

5.1: Sensores electromagnéticos

Quando um elemento condutor de corrente é colocado num campo magnético

surge uma tensão perpendicular tanto à corrente como ao campo magnético. Este

princípio é conhecido como efeito de Hall, e é baseado nele que os sensores

electromagnéticos registam a posição do elemento magnético, [Honeywell, 2005].

A Figura 5.1 ilustra o princípio de funcionamento do efeito de Hall.

Considerando, um fino filme de material semicondutor (elemento Hall) por onde

passa corrente, na ausência de um campo magnético a distribuição da corrente é

uniforme e não existe qualquer diferença de potencial. Pelo contrário, na presença

de um campo magnético, uma força Lorentz é exercida na corrente perturbando a

distribuição desta e criando uma diferença de potencial (tensão VH) aos terminais

proporcional à intensidade do campo magnético em questão.

a) b)

Figura 5.1: Efeito de Hall: a) sem campo magnético; b) com campo magnético (imagens de [Honeywell, 2005]).

Actualmente, os sensores electromagnéticos baseados no efeito de Hall são

utilizados nas mais variadas aplicações devido ao seu tamanho reduzido, consumo

diminuto, longo período de vida, elevada velocidade de operação, alta

repetibilidade e baixo custo; o facto de não ter peças móveis também representa

uma grande vantagem em muitos casos de aplicação. Contudo, nesta aplicação os

sensores do tipo GMR, “Giant Magneto Resistive”, são preferíveis por terem uma

maior sensibilidade e o sinal de saída ser de valor superior.

A Figura 5.2 ilustra o efeito GMR. Nesta figura, A representa uma camada não

magnética condutora, B duas camadas magnéticas, C a corrente eléctrica e D um

campo magnético. Na ausência de um campo magnético, Figura 5.2a), o momento



magnético provocado pelas camadas B oferece uma grande resistência à passagem

da corrente; o mesmo não acontece quando se aplica um campo magnético, nessa

altura o momento criado pelas camadas B é vencido e a resistência eléctrica

diminui consideravelmente, Figura 5.2b).

a) b)

Figura 5.2: Efeito GMR, “Giant Magneto Resistive”: A – Camada condutora; B – Camadas magnéticas; C – Corrente eléctrica; D – Campo magnético (imagens adaptadas de [NVE, 2005]).

Apesar de no mercado existirem elementos sensores electromagnéticos que por

si só registam a posição 3D (isto é, com três eixos de sensibilidade), foram

utilizados sensores com apenas um eixo de sensibilidade. Neste trabalho, os

referidos sensores 3D teriam sido preferíveis pois, ao contrário da utilização de três

sensores individuais, permitiriam conceber um suporte mais simples e facilitariam o

tratamento dos resultados obtidos. No entanto, não foi possível encontrar no

mercado unidades deste tipo de sensores para efectuar ensaios experimentais em

tempo útil.

Os sensores seleccionados para este trabalho foram os da NVE Corporation

(USA) com a referência AA002-02, Figura 5.3, cujas características estão resumidas

na Tabela 5.1, [NVE, 2002]. Os referidos sensores apresentam-se sob a forma de

integrados de montagem superficial, e são caracterizados pela sua elevada

sensibilidade a campos magnéticos, excelente estabilidade térmica, baixo consumo

(cerca de 5 mA) e tamanho reduzido (dimensões: 5,99 x 4,90 x 1,55 mm).

Apresentam o mesmo valor da saída tanto na direcção positiva como na negativa do

eixo de sensibilidade (output omnipolar) e a saída é analógica. A gama de operação



linear é alargada e funcionam com tensões reduzidas. Os testes experimentais por

nós realizados mostraram que são insensíveis a interferências electrónicas.

a) b)

Figura 5.3: a) Sensores AA002-02 da NVE Corporation (USA) usados; b) Esquema do sensor (imagem de [NVE, 2002]).

Tabela 5.1: Características dos sensores AA002-02 da NVE Corporation (dados de [NVE, 2002]).

Propriedade Mínimo Máximo Unidade

Tensão de entrada < 1 ± 25 Volts

Frequência de operação DC > 1 MHz

Temperatura de funcionamento -50 125 ºC

Offset da ponte eléctrica - 4 + 4 mV/V

Não – linearidade 2 % (unipolar)

Histerese 4 % (unipolar)

Ao afirmar que estes sensores possuem apenas um eixo de sensibilidade

pretende-se dizer que são sensíveis apenas numa dada direcção no plano do

circuito impresso. Deste modo, para se proceder à aquisição tridimensional da

trajectória da mandíbula é necessário utilizar três sensores montados

perpendicularmente entre si. A Figura 5.4 ilustra duas das configurações

íman/sensor possíveis para registar a posição linear.

Como já foi referido, como os sensores considerados neste trabalho são de

dimensões muito reduzidas, para facilitar as suas ligações eléctricas, o seu

manuseamento e montagem no suporte dedicado foram desenvolvidas placas de

circuito impresso específicas. Assim, foram usadas duas placas para ser possível

alinhar e dispor os três sensores perpendicularmente entre si. Os sensores foram

posicionados de modo a ficarem o mais perto possível do ponto incisivo durante o

movimento a registar, Figura 5.5.



Figura 5.4: Configurações possíveis do íman/sensor usado

(imagens adaptadas de [Honeywell, 2005]).

Figura 5.5: Modelação 3D da montagem dos sensores usados e das

placas de circuito impresso desenvolvidas.

5.2: Íman

A variação do campo magnético é provocada, neste trabalho, por um pequeno

íman colado na mandíbula do paciente junto ao ponto incisivo. Para colar o íman

pode-se utilizar silicone de mordida ou cimentos de endurecimento rápido; deixa-

se ao cuidado do operador a escolha da melhor solução.

Durante os testes efectuados aos sensores verificou-se que a intensidade e a

orientação do campo magnético influenciavam os resultados obtidos; assim sendo,

para evitar que ocorressem erros durante a medição, ao seleccionar o íman teve-se

o cuidado de escolher um que fosse fácil de colar sempre com a mesma orientação.

A Figura 5.6 mostra o íman utilizado; trata-se de um cilindro com 5 mm de

altura e 5 mm de diâmetro, que deverá ser colado nas gengivas do paciente com a



base do cilindro paralela aos dentes. O campo magnético gerado pelo referido íman

é de 760 Gauss.

Figura 5.6: Íman usado na aquisição do

movimento mandibular.

O aspecto do magnete seleccionado não é muito atractivo devido à sua cor e

textura rugosa, teria sido preferível utilizar um íman como o da Figura 5.7, que é

revestido a teflon mas tal não aconteceu porque o campo magnético deste é de

apenas 120 Gauss.

Figura 5.7: Íman revestido a teflon (diâmetro: 5 mm; altura: 11 mm).

5.3: Arco Facial Arcus

Os arcos faciais são instrumentos utilizados em Medicina Dentária para registar

a relação da maxila com o eixo de rotação da mandíbula. Ao definirem um plano de

referência usando três pontos, permitem determinar uma relação semelhante

àquela que vai ser estabelecida entre os moldes dos dentes de um certo paciente

com o eixo de rotação do articulador usado para simular o movimento mandibular

do mesmo.



O arco facial escolhido para suporte do sistema de aquisição desenvolvido foi o

arco facial Arcus da empresa alemã Kavo, [www.kavo.com], Figura 5.8.

Figura 5.8: Arco facial Arcus da Kavo usado neste trabalho como estrutura principal de

suporte do sistema de aquisição mandibular (duas vistas).

Este arco foi escolhido por se tratar de um modelo recente e ser compatível

com vários articuladores. Nesta escolha, também pesou o facto da transferência

das relações para o articulador ser fácil, e da precisão dos pontos anatómicos de

referência estar garantida pelo uso de auriculares adequados, Figura 5.9.

a) b) c)

Figura 5.9: a) Exemplo de utilização do arco facial Arcus da Kavo; b) Pormenor do auricular; c) Pormenor da glabela (imagens de [www.kavo.com]).

A utilização deste arco é simples: o operador coloca as peças auriculares no

canal auditivo externo (ouvidos), Figura 5.9b), e ajusta o ponteiro à glabela, Figura

5.9c). Para limpar o arco facial basta passar um toalhete embebido em álcool.

Antes de iniciar a adaptação do arco facial à sua nova função, procedeu-se à

modelação dos seus componentes, recorrendo-se ao programa de modelação

paramétrico 3D Autodesk Inventor Professional, Figura 5.10, [Costa, 2004].



Figura 5.10: Modelação 3D realizado neste trabalho do arco facial Arcus usando o programa

Autodesk Inventor Professional (duas vistas).

5.4: Redesign efectuado

Dos vários elementos que constituem o arco facial adoptado como estrutura de

suporte principal, apenas foi necessário, de forma a o adaptar para a sua nova

função, redesenhar as peças auriculares, Figura 5.11. A parte terminal destas peças

é pouco arredonda, para se adaptar facilmente ao ouvido aquando a realização de

medições estáticas; no entanto, numa medição dinâmica esta forma poderá magoar

o côndilo do paciente a examinar.

Figura 5.11: Um dos auriculares originais do arco facial Arcus da Kavo (duas vistas).

As dimensões gerais das peças originais assim como o modo de encaixe foram

mantidos. No entanto, a forma original algo austera foi substituída por uma mais

orgânica, para proporcionar aos pacientes uma sensação de maior conforto, e a

parte terminal do auricular original foi substituída por uma esfera, de forma a não



magoar os pacientes aquando da realização dos movimentos durante o processo de

aquisição, Figura 5.12.

É de notar que as novas peças desenvolvidas são mais fáceis de limpar;

enquanto que os auriculares originais possuem algumas cavidades onde a sujidade

se pode alojar, nas novas peças desenvolvidas tal não acontece.

a) b)

c) d)

Figura 5.12: a) Modelação 3D obtida para o auricular original; b), c) e d) Redesign obtido para a mesma peça.

5.5: Sistema de suporte para os sensores

Ao desenvolver o sistema do suporte dos sensores electromagnéticos teve-se

em atenção que este iria ser fixo ao arco facial, que deveria acomodar as duas

placas de circuito impresso desenvolvidas para os mesmos e que os deveria

posicionar de modo a que ficassem devidamente alinhados com o íman a ser colado

junto aos incisivos inferiores.



Como já referido, aquando do redesign das peças auriculares originais do arco

facial da Kavo optou-se por uma forma orgânica para proporcionar aos pacientes

uma sensação visual de maior conforto. No caso do suporte dos sensores, este tipo

de formas revelou ser também o mais apropriado para satisfazer as necessidades

funcionais do suporte. A Figura 5.13 mostra a modelação paramétrica do suporte

dos sensores desenvolvido.

Figura 5.13: Modelação 3D do suporte dos sensores desenvolvido (quatro vistas).



As placas de circuito impresso, desenvolvidas neste trabalho para os sensores

electromagnéticos, são encaixadas na caixa do suporte respectivo por ligeira

pressão, e o acesso às mesmas é realizado através de uma tampa deslizante, Figura

5.14.

A referida tampa apresenta um orifício para a passagem de um led que tem a

função de indicar se o sistema de aquisição está ligado ou não.

a) b) c)

Figura 5.14: a) Montagem das placas de circuito dos sensores no dispositivo de suporte respectivo; b) e c) Sistema de abertura/fecho por tampa deslizante.

Para fixar o suporte dos sensores aproveitou-se um encaixe já existente no

arco facial. Assim, no suporte dos sensores foi desenvolvido um sistema de encaixe

adequado para evitar a translação e a rotação do mesmo relativamente ao arco

facial, Figura 5.15.

Figura 5.15: Pormenor da fixação do suporte desenvolvido para os

sensores electromagnéticos ao arco facial da Kavo.



Na parte terminal do suporte dos sensores criou-se uma zona para a transição

entre os cabos que ligam os sensores ao cabo que faz a ligação ao computador,

Figura 5.16. Foram utilizados condutores de reduzido diâmetro de modo a tornar o

suporte ainda mais leve.

O cabo de ligação ao computador é soldado directamente aos sensores; no

entanto, era preferível criar um alojamento para um conector de modo a que o fio

e o suporte para os sensores fossem independentes facilitando assim o

manuseamento do sistema desenvolvido.

a) b)

Figura 5.16: a) Pormenor da parte terminal do suporte dos sensores; b) Pormenor da ligação dos cabos dos sensores.

5.6: Protótipos desenvolvidos

O processo de estereolitografia17 foi o escolhido neste trabalho para

materializar os protótipos desenvolvidos.

Os quatro ficheiros (suporte dos sensores, tampa deste suporte e os dois

auriculares, direito e esquerdo), concebidos com o programa paramétrico de

modelação 3D Autodesk Inventor Professional, foram convertidos em ficheiros no

formato *.STL, utilizando a resolução máxima permitida pelo referido programa. Os

modelos foram então produzidos com uma resina epoxy e sujeitos a um tratamento

de cura.

17 A estereolitografia consiste na fabricação de objectos por adição sucessiva de camadas. Os objectos

são construídos por fotopolimerização de uma resina epoxy usando um feixe laser de raios ultravioleta [Alves, 2001].



As Figura 5.17 e Figura 5.18 mostram os primeiros protótipos obtidos. Ao

analisar as peças auriculares verificou-se que a inclinação da parte terminal não

era a mais adequada, e que seriam mais confortáveis se a esfera fosse ligeiramente

maior.

Quanto ao suporte para os sensores verificou-se que a caixa era demasiado

pequena, que a localização do furo para o led incluído no sistema sensor era

inadequada e que, como já foi referido, era necessário um sistema de encaixe

adequado.

Figura 5.17: Primeira versão dos auriculares desenvolvidos.

Figura 5.18: Primeira versão do suporte desenvolvido para os sensores.

Os erros detectados nos primeiros protótipos foram posteriormente corrigidos.

A Figura 5.19 mostra os segundos protótipos materializados. Por seu lado, a Figura



5.20 apresenta as peças auriculares desenvolvidas e a sua montagem no arco facial.

Já a Figura 5.21 mostra vários pormenores do suporte dos sensores; e a Figura 5.22

mostra as placas de circuito impresso montadas no respectivo suporte dos sensores.

Figura 5.19: Segunda versão do suporte dos sensores e dos auriculares concebidos neste trabalho

usando o método de estereolitografia (duas vistas).

a) b)

Figura 5.20: a) Segunda versão dos auriculares desenvolvidos; b) Montagem do novo auricular no arco facial Arcus da Kavo.

Para a produção do protótipo desenvolvido em grandes séries tanto o acetal

(POM) como a poliamida (PA, nylon) apresentam propriedades adequadas, [Ashby,

2002], pois ambos são resistentes, rígidos e fáceis de moldar.

Já para produzir uma pequena série, aconselha-se o uso de moldes flexíveis em

silicone. A forma curva do suporte dos sensores pode representar uma dificuldade

em relação à saída da peça do molde, mas esse problema pode ser facilmente

resolvido usando machos fusíveis ou um tubo de latão pré montado. O suporte dos



sensores também pode ser produzido sem as curvas consideradas, e receber a

forma final desejada por conformação.

a) b) c)

Figura 5.21: a) Segunda versão do suporte dos sensores desenvolvido; b) Pormenor da fixação das placas de circuito impresso dos sensores; c) Pormenor de fixação ao arco facial Arcus da Kavo.

Figura 5.22: Montagem dos sensores na segunda versão do suporte

desenvolvido para os mesmos.

Para a produção de grandes séries por injecção, os planos de apartação do

suporte dos sensores deverão ser cuidadosamente escolhidos, de modo a facilitar a

retirada da peça do molde sem alterar a forma. O ideal seria dividir o suporte dos

sensores ao meio, eliminando a tampa utilizada para aceder aos sensores, Figura

5.23.



Figura 5.23: Sugestão para o plano de apartação do suporte desenvolvido para

os sensores (duas vistas).

O sistema de aquisição a montar no arco facial pesa no total cerca de 200 g.

Apesar deste valor poder ser considerado elevado, é aceitável uma vez que as

peças não vão estar solidárias com o movimento; ou seja, o paciente não terá

qualquer impedimento durante os vários movimentos a realizar.

5.7: Montagem electrónica desenvolvida

Como já referido, para registar o movimento mandibular 3D foram utilizados

neste trabalho sensores electromagnéticos, e para visualizar os resultados

adquiridos foi criada uma interface gráfica descrita na próxima secção.

Para a aquisição do sinal dos sensores foi utilizada uma placa de aquisição com

uma ligação USB (designada por DAQ). A placa de aquisição utilizada foi a NI USB-

6008 da National Instruments, Figura 5.24, [NI, 2005]. Trata-se duma placa de

aquisição que foi concebida a pensar num trabalho tipicamente académico: é

compacta (dimensões com conectores: 818 x 851 x 231 mm; peso: 84 g), simples de

usar, tem um preço acessível, e inclui um programa computacional para fazer

facilmente a aquisição dos sinais (NI-DAQmx Base).



A NI USB-6008 dispõe de oito canais analógicos diferenciais (AI), dois canais de

saída analógicos (AO), 12 canais entrada/saída digitais (DIO), um contador de 32 bit

e uma porta de saída USB para ligação ao computador. Tem também uma saída

com 5 V e 200 mA, que pode ser utilizada como fonte de alimentação para

componentes externos. A Tabela 5.2 resume algumas das características principais

da placa de aquisição referida.

Figura 5.24: NI USB-6008 da National Instruments: 1 - Indicador da orientação dos conectores; 2 - Conectores; 3 - Etiquetas; 4 - Cabo USB (imagem de [NI, 2005]).

Tabela 5.2: Características da placa de aquisição NI USB-6008 da National Instruments (dados de [NI, 2005]).

Resolução Diferencial: 12 bits Single-ended: 11 bits 0,488 mV

Exactidão 1,53 mV a ±1 14,7 mV a ±20

Velocidade máxima de leitura do sinal 10 kS/s

Ganho programável de entrada Diferencial: 1, 2, 4, 5, 8, 10, 16, 20 Single-ended: 1

Ao montar a placa de aquisição optou-se pela montagem diferencial por

eliminar o ruído, permitir ganhos maiores e a resolução obtida ser superior. No

entanto, esta montagem tem a desvantagem de reduzir para metade o número de

canais disponíveis na placa; mas nesta aplicação, esse facto não foi relevante pois

são usados apenas três canais.



Apesar da placa de aquisição, como já referido, poder funcionar como fonte de

alimentação para os sensores usados, optou-se por utilizar uma fonte externa. Esta

decisão justifica-se pelo facto do sinal de saída dos sensores ser proporcional à

tensão de alimentação. Assim, a fonte de alimentação escolhida foi a RS7694 da RS

Amidata (www.rs-portugal.com) com duas saídas: +15 e -15V, Figura 5.25. Esta

fonte permite aumentar o sinal de saída dos sensores em três vezes.

Figura 5.25: Fonte de alimentação usada na alimentação do

sistema (imagem de [www.rs-portugal.com]).

Para tornar o sistema desenvolvido o mais prático possível, tanto a fonte de

alimentação como a placa de aquisição foram montadas numa caixa adequada. A

fonte de alimentação foi aparafusada, e por questões de segurança, foi ainda

incluído um fusível de protecção. A placa de aquisição teve de ser colada à caixa

por não ter um sistema de fixação; utilizou-se velcro para que caso fosse

necessário ser desmontada o processo fosse simples. Instalou-se também um botão

para ligar e desligar o sistema de aquisição. A Figura 5.26 mostra a caixa

desenvolvida com todos os componentes referidos.

5.8: Interface gráfica desenvolvida

Para facilitar a aquisição e a análise do movimento mandibular 3D foi

desenvolvida uma interface gráfica dedicada recorrendo à ferramenta LabVIEW da

National Instruments, Figura 5.27, [National, 2005].

Para correr a aplicação é necessário um computador com o sistema operativo

Windows XP e o programa Microsoft Office Word; não é necessário ter o programa

LabVIEW instalado porque a interface corre como uma aplicação autónoma. Caso


http://www.rs-portugal.com/


seja do agrado do operador, poderá ser criado um atalho no Ambiente de Trabalho

para a referida interface.

Figura 5.26: Caixa desenvolvida para alimentação dos sensores electromagnéticos

e aquisição por um computador pessoal dos seus sinais.

Na parte superior da interface desenvolvida deverão ser preenchidos os dados

pessoais do paciente a examinar: o nome, a idade, o sexo e os dentes em falta,

Figura 5.27. Os campos relativos ao “nome” e à “idade” foram criados usando

caixas de texto. Já para indicar o sexo do paciente foi utilizado um “radio

buttons”; para o campo intitulado “Dentes em Falta” foi criada uma sub-rotina

onde são utilizados vários “dialog radio buttons” para que o operador possa indicar,

recorrendo ao grafismo usualmente utilizado pelos médicos dentistas, quais os

dentes que o paciente já não tem.

Na parte inferior da aplicação foram criados botões para controlar a aquisição

do movimento e os gráficos para visualizar e analisar os resultados, Figura 5.27.

O botão “Começar” dá início à medição, enquanto que o botão “Parar” pára a

aquisição, Figura 5.27. Enquanto a medição decorre o paciente pode mover

livremente a boca; mais adiante será apresentada uma sequência para sistematizar

a aquisição.



Figura 5.27: Interface gráfica desenvolvida neste trabalho recorrendo à ferramenta LabVIEW: em cima surgem os campos relativos aos dados pessoais do paciente, enquanto que na parte

de baixo surgem os botões de controlo e os gráficos dos resultados obtidos.

Terminada a aquisição, os resultados são apresentados em quatro gráficos.

Para melhor organizar a informação foi utilizado um “Tab Control”. Em primeiro

plano, é apresentado o gráfico do movimento a 3D que o operador pode rodar,

aproximar ou afastar usando os botões do rato. “Atrás” deste gráfico, são

apresentadas as projecções do movimento nos planos sagital, frontal e horizontal,

Figura 5.28.

Se os resultados obtidos não forem satisfatórios, o operador pode repetir a

aquisição voltando a clicar no botão “Começar”. Pelo contrário, se os resultados

forem aceitáveis pode-se criar um relatório clicando no botão “Relatório”. Quando

isso acontece, surge uma janela na qual se deve indicar o nome do ficheiro a criar

assim como a sua localização, Figura 5.29; em seguida, é aberto um documento

Word com o relatório da medição, Figura 5.30. O operador pode então optar por

imprimir o relatório ou guarda-lo.

Para criar o relatório utilizou-se no desenvolvimento da interface o “Report

Generation Toolkit”. Assim, foi criado um “modelo de documento” em Microsoft

Word com marcadores relativos aos vários campos a preencher, e no LabVIEW



foram definidas as ligações entre estes marcadores e os respectivos campos da

interface gráfica.

Para terminar a aplicação, pressiona-se o botão “Fechar”, Figura 5.27.

Figura 5.28: Interface gráfica desenvolvida: projecção da trajectória no plano sagital.

5.9: Conversão da Tensão em Coordenadas Cartesianas

Os sensores electromagnéticos registam campos magnéticos e exprimem-nos

como uma diferença de potencial na sua saída. Para conhecer a trajectória do

íman, colocado na boca do paciente, é então necessário converter a tensão de

saída dos sensores usados em distância.

Ao simular a aquisição do movimento verificou-se que ao mover o íman numa

dada direcção a tensão variava simultaneamente nos três sensores; ou seja, a cada

posição no espaço (coordenadas cartesianas x, y e z) correspondia um conjunto de

três tensões (tensão segundo cada sensor na direcção x, y e z).



Figura 5.29: Interface gráfica desenvolvida: localização do relatório da medição obtida.

Figura 5.30: Exemplo de um relatório obtido com a interface desenvolvida.



Como, de um modo geral, o movimento mandibular não excede os limites

definidos por um paralelepípedo com 70 mm de altura, 40 mm de comprimento e

40 mm de profundidade, registou-se o valor da tensão para uma grelha de pontos

dentro desse volume espacial, para posteriormente se determinar a relação entre a

tensão e a distância 3D.

Assim, mantendo o suporte dos sensores fixo, movimentou-se o íman com o

controlador de movimento Newport Motion Controller Model MM4000, Figura 5.31,

e os valores da tensão foram registados semiautomaticamente18 recorrendo a uma

interface criada durante este trabalho para o efeito em LabVIEW, Figura 5.33. O

“zero” do sistema de coordenadas foi definido junto do led do sistema do suporte

para os sensores electromagnéticos, Figura 5.32, e o íman moveu-se globalmente

40 mm para trás, 20 mm para a direita, 20 mm para a esquerda e 70 mm para

baixo, tendo sido registados cerca de 800 pontos, Figura 5.34. Nesta figura, nos

eixos 1 (segundo xx) e 2 (segundo zz) o incremento foi de 5 mm, enquanto que no

eixo 3 (segundo yy) foi feito um incremento de 10 mm seguido de dois incrementos

de 5 mm e dois incrementos de 10 mm.

Figura 5.31: Montagem utilizada na aquisição experimental dos pontos 3D usada

para calibrar o sistema desenvolvido.

Numa primeira fase, experimentou-se o “algoritmo do ponto mais próximo”

para relacionar a tensão dada pelos sensores com as coordenadas cartesianas 3D:

calculou-se a soma quadrada das diferenças segundo cada um dos três eixos entre 18 Para cada ponto foram inseridas manualmente as coordenadas 3D, ao pressionar o botão “Medir” visível

na Figura 5.33 eram guardados os valores da tensão correspondentes.



os valores da tensão a determinar e os valores da tensão determinados

experimentalmente para cada ponto de calibração e procurou-se o mínimo; a este

mínimo corresponderiam as coordenadas do ponto a determinar. No entanto, este

algoritmo é válido apenas para os pontos que tinham sido considerados

experimentalmente; ou seja, para se obter resultados satisfatórios, ter-se-ia de

efectuar um varrimento com avanços muito reduzidos porque não é possível

realizar interpolações entre os pontos de calibração.

Figura 5.32: Pormenor do “zero” do sistema de coordenadas 3D

usado para calibrar o sistema desenvolvido.

Figura 5.33: Interface desenvolvida durante este trabalho para a aquisição dos pontos 3D necessários para a calibração do sistema.

Por sua vez, as redes neuronais são constituídas por elementos de

processamento simples (neurões) interligados que têm a capacidade de aprender a

partir de dados. São inspiradas no sistema nervoso biológico e, como tal, são

determinadas pelas ligações entre os seus elementos. Estas redes podem ser



treinadas de modo a executar uma determinada função ajustando os valores das

ligações (pesos) entre os seus elementos. Geralmente, parte-se de determinados

valores de entrada (inputs) que levam a determinados valores de saída (targets); os

pesos são ajustados até que o erro na comparação entre as entradas e saídas seja

mínimo, [Marques, 1999; Demuth, 2005].

Figura 5.34: Pontos 3D adquiridos 3D para calibrar o sistema desenvolvido:

Eixo 1 – segundo xx; Eixo 2 – segundo zz; Eixo 3 – segundo yy.

Neste caso foi utilizada uma rede neuronal de base radial. De acordo com

Marques, [Marques, 1999], este tipo de redes têm um treino rápido e permitem

interpretar a contribuição de cada unidade para o comportamento global da rede

porque cada camada só é activa numa zona limitada do espaço de entrada.

As redes de base radiais são constituídas por duas camadas: uma camada

escondida, composta por neurões cuja função de transferência é do tipo

exponencial, Figura 5.35a), ligada a uma camada de saída linear, Figura 5.35b). A

Figura 5.36 mostra a arquitectura da rede utilizada neste trabalho.

Todos os cálculos referentes à rede neuronal utilizada foram executados no

programa MatLab [Demuth, 2005] com o comando “newrb”; os parâmetros

utilizados estão indicados na Tabela 5.3.

O valor ideal para o erro é zero, mas neste caso foi definido um valor superior

essencialmente porque os pontos registados serem insuficientes numa das

direcções, Figura 5.34. Assim sendo, os resultados obtidos com esta rede neuronal

não apresentam elevada exactidão; para os melhorar seria necessário considerar

mais pontos experimentais, isto é, usar uma amostragem espacial mais fina.



a) b)

Figura 5.35: Funções de transferência: a) Função de transferência dos neurões da camada escondida; b) Função de transferência dos neurões da

camada de saída (imagens de [Demuth, 2005]).

Figura 5.36: Arquitectura da rede de base radial utilizada: R - número de entradas; S1 - número de neurões na camada escondida; S2 - número de

neurões na camada de saída (imagem adaptada de [Demuth, 2005]).

Tabela 5.3: Parâmetros do comando “newrb” utilizado para construir a rede neuronal radial utilizada neste trabalho.

newrb(P,T,GOAL,SPREAD)

P Entradas (Inputs)

T Saídas (Targets)

Goal Erro 100 000

Spread Exponencial da função de transferência 0.005

Finalmente, a rede obtida foi traduzida numa expressão matemática e foi

implementada na interface gráfica através de uma sub-rotina criada em LabVIEW.

5.10: Utilização do sistema

Para utilizar o sistema protótipo desenvolvido neste trabalho para a aquisição e

análise do movimento mandibular 3D, Figura 5.37, o operador deverá começar por



colocar a caixa próximo do computador pessoal e estes relativamente perto do

paciente. Em seguida, deverá ligar a ficha a uma tomada AC de 220V e o cabo USB

ao computador, Figura 5.38. Posto isto, o operador deve substituir as peças

auriculares originais do arco facial pelas novas peças auriculares desenvolvidas

neste trabalho, Figura 5.39, e montar o suporte para os sensores.

Figura 5.37: Sistema protótipo desenvolvido para a aquisição e análise do

movimento mandibular 3D.

Neste momento e caso o computador pessoal ainda esteja desligado, o

operador pode ligar o computador, iniciar a aplicação computacional desenvolvida

para a aquisição e análise do movimento mandibular 3D e preencher os campos

relativos aos dados pessoais do paciente em causa: o nome, a idade, o sexo e os

dentes em falta.

O operador pode então “colar” o íman no interior da boca do paciente, com

silicone de mordida ou com cimentos de endurecimento rápido, e “montar” o arco

facial, Figura 5.40.



Figura 5.38: Preparação do sistema protótipo desenvolvido para a aquisição e

análise do movimento mandibular 3D.

Figura 5.39: Preparação do arco facial: substituição das peças auriculares.

a) b) c)

Figura 5.40: a) Colocação do arco facial no paciente; b) Pormenor da peça auricular desenvolvida neste trabalho; c) Sistema pronto para a aquisição do movimento.



Para que o movimento adquirido seja o mais natural possível e não hajam

interferências com os músculos mastigatórios, é conveniente que o médico

dentista/operador explique ao paciente a sequência de movimentos a realizar e só

depois proceda à sua aquisição. Sugere-se a seguinte sequência de operação:

1. fechar a boca na posição normal com os dentes a contactar na posição

correcta;

2. fazer pressão (note-se que ao fazer pressão há um pequeno movimento

natural para cima e para trás);

3. abrir a boca;

4. fechar a boca;

5. abrir a boca normalmente;

6. fechar a boca com os dentes numa posição avançada;

7. deslizar para trás;

8. mover o máximo para o lado direito;

9. mover o máximo para o lado esquerdo.

Depois do paciente compreender a sequência de movimentos a realizar, o

operador pode então iniciar a aquisição do movimento, premindo no botão

“Começar” da interface desenvolvida. Terminada a sequência de movimentos, o

botão “Parar” da mesma interface deverá ser premido. O operador pode de seguida

analisar o movimento adquirido e, se os resultados forem satisfatórios pode criar

um relatório do exame premindo o botão “Relatório” da interface desenvolvida. Ao

premir no referido botão surge uma janela de diálogo onde se deve indicar o nome

e a localização do ficheiro Microsoft Word a criar. Depois disto, o referido ficheiro

é criado e surge em primeiro plano no monitor do computador. O operador pode

então optar por imprimir em papel os resultados ou guardar o ficheiro numa dada

unidade de gravação de dados.

Terminada a aquisição, o sistema pode ser desmontado.

É conveniente que as peças auriculares sejam limpas, com um lenço embebido

em álcool, e que o íman seja esterilizado.



5.11: Estimativa dos custos de produção

Foi feita uma estimativa dos custos para a produção do sistema protótipo

desenvolvido neste trabalho. Os resultados são apresentados na Tabela 5.4.

Cada vez mais as empresas optam por produzir pequenas séries recorrendo a

técnicas de prototipagem rápida, por ajudar a reduzir o tempo de desenvolvimento

até à entrada no mercado e o custo de produção das ferramentas e dos dispositivos

associados. Tal como já foi referido, para produzir uma pequena série das duas

peças auriculares e do suporte dos sensores, com a respectiva tampa, seria

preferível utilizar moldes flexíveis em silicone; neste caso, a produção de 25

conjuntos em resina de poliuretano custa aproximadamente 2.750 €.

O preço unitário dos sensores AA002-02 da NVE Corporation é de 5,53 €. O

custo das duas placas de circuito impresso ronda os 3 €. A placa de aquisição NI

USB-6008 custa 145 €, enquanto que os respectivos conectores custam cerca de

25 €. A fonte de alimentação custa 75 €. O preço do íman ronda os 5 €. Já o preço

da caixa plástica na qual, é montada a placa de aquisição e a fonte de

alimentação, ronda os 8 € mas aumenta caso seja metálica. Nos cabos, no led, no

fusível e no interruptor gasta-se ao todo aproximadamente 8 €.

É importante referir que os preços indicados não incluem IVA nem custos de

transporte, e podem ser negociados de modo a obter descontos de quantidade ou

de pronto pagamento. Também se deve salientar que caso se pretenda uma placa

de aquisição com maior resolução o custo aumentará.

Para montar o sistema são precisas 5 horas. Se se considerar que em Portugal o

custo do trabalho de bancada ronda os 0,15€/min, para montar um sistema

protótipo gasta-se 45 €.

O custo do desenvolvimento e os custos fixos não foram estimados por

dependerem de quem desenvolve e produz o sistema.



Tabela 5.4: Estimativa dos custos para produzir o sistema protótipo desenvolvido para a aquisição e análise do movimento mandibular 3D.

Quantidade Designação Preço

1 Suporte dos sensores e auriculares 110,00 €

3 Sensores AA002-02 NVE Corporation 16,60 €

2 Placas de circuito impresso 3,00 €

1 Placa de aquisição NI USB-6008 e conectores 170,00 €

1 Fonte de alimentação RS7694 ±15 V 75,00 €

1 Íman 5,00 €

1 Caixa 8,00 €

Material eléctrico 8,00 €

Mão-de-obra (5 horas, trabalho de bancada) 45,00 €

Total (material + mão-de-obra) 440,60 €

5.12: Comercialização do produto

Em Portugal, é o Infarmed, [www.infarmed.pt], que define as regras a que

devem obedecer o fabrico, a comercialização e a entrada em serviço de

dispositivos médicos e respectivos acessórios.

Segundo o Decreto-Lei nº 273/95 de 23 de Outubro e a Portaria nº 136/96 de 3

de Maio, o sistema protótipo desenvolvido neste trabalho é classificado como um

dispositivo médico activo para diagnóstico e pertence à classe IIa19.

Para a comercialização do sistema protótipo, é requerido um “Certificado de

Conformidade”, que deverá ser emitido por um organismo dentre os vários

nomeados pelas autoridades competentes dos Estados Membros e publicados no

Jornal Oficial das Comunidades. O fabricante também pode escolher o

“procedimento de avaliação da conformidade”, entre os vários previstos no n.º 4

do Decreto-lei n.º 30/20003, de 14 de Fevereiro.

Os dispositivos médicos só poderão ser colocados no Mercado Europeu se

apresentarem a marcação “CE” como prova da sua conformidade com os requisitos

essenciais que lhe são aplicáveis. A referida marcação tem um grafismo próprio e

deve estar aposta pelo fabricante de forma legível, visível e indelével, Figura 5.41. 19 Na Portaria nº 136/96 de 3 de Maio os dispositivos são classificados em classes I, IIa, IIb e III, tendo em

conta a vulnerabilidade do corpo humano, bem como os potenciais riscos decorrentes da sua concepção técnica e do seu fabrico.


http://www.infarmed.pt/


Os dispositivos com funções de medição, como no presente caso, devem

apresentar, para além da marcação “CE”, um código constituído por quatro dígitos

que corresponde ao número de identificação do Organismo Notificado escolhido

pelo fabricante para a sua avaliação da conformidade.

Figura 5.41: Marcação “CE” que deverá ser aposta no dispositivo desenvolvido

(imagem da Portaria nº 136/96 de 3 de Maio).

O sistema protótipo foi concebido de modo a que a sua utilização não

comprometesse o estado clínico e a segurança dos pacientes, nem a segurança e a

saúde dos operadores. As formas escolhidas dificilmente causarão ferimentos e as

correntes eléctricas envolvidas não representam riscos em caso de avaria. Foram

incluídos sinais luminosos que informam, tanto o paciente como o operador, se o

sistema está em funcionamento.

A limpeza dos vários componentes é fácil. No entanto, o íman precisa de

especial atenção por ser esterilizado. Este deve ser acondicionado numa

embalagem descartável, de forma a estar estéril aquando da sua colocação no

mercado, e a manter este estado nas condições previstas de armazenamento e

transporte, até que seja violada ou aberta a protecção que assegura a sua

esterilidade. No folheto de instruções que deverá acompanhar o dispositivo

deverão ser fornecidas indicações sobre qual o procedimento correcto para a

esterilização do íman usado.

Ao ser comercializado o sistema deverá ser acompanhado das informações

necessárias para a sua utilização em completa segurança e para a identificação do

fabricante, tendo em conta a formação e os conhecimentos dos potenciais

utilizadores. Estas informações devem ser redigidas em língua portuguesa, sem

prejuízo de poderem também ser redigidas noutras línguas.



Na rotulagem e no folheto de instruções deverá constar informação sobre o

nome ou a designação comercial, e o endereço do fabricante e o ano de fabrico.

Também devem constar informações para que o utilizador possa identificar o

dispositivo e o conteúdo da embalagem, assim como as instruções necessárias em

caso de danificação da embalagem. Devem ser fornecidas informações sobre os

processos de reutilização adequados, incluindo a limpeza, desinfecção,

acondicionamento.

5.13: Resumo

Os sensores electromagnéticos registam a posição de um dado elemento

magnético. Neste trabalho, para a aquisição do movimento mandibular 3D, foram

utilizados três sensores deste tipo para registar a trajectória de um pequeno íman

colocado na boca de um paciente.

Um arco facial comum em Medicina Dentária foi adaptado para servir como

estrutura principal do sistema protótipo e foi desenvolvido um suporte específico

para os sensores.

Para garantir o maior conforto possível do paciente durante a medição algumas

peças do arco facial foram redesenhadas.

Posteriormente, protótipos foram materializados, recorrendo à

estereolitografia, permitindo assim corrigir atempadamente alguns erros.

Para alimentar o sistema de aquisição de dados do protótipo desenvolvido foi

utilizada uma fonte de alimentação dedicada, e para adquirir o sinal foi utilizada

uma placa de aquisição de dados. Estes componentes foram montados numa caixa

adequada para tornar o sistema desenvolvido prático.

Para facilitar a aquisição e a análise do movimento mandibular 3D foi

desenvolvida uma interface gráfica com a ferramenta LabVIEW da National

Instruments. Na referida interface é possível indicar os dados pessoais do paciente

e visualizar o movimento 3D e a sua projecção nos planos sagital, frontal e

horizontal.



Na referida interface computacional, foram utilizadas redes neuronais para

converter adequadamente a tensão dada pelos sensores em coordenadas

cartesianas 3D.

Estimou-se que para produzir o sistema protótipo gastar-se-ia em material

395 €; as outras parcelas não foram calculadas por dependerem fortemente de

quem o desenvolve e o produz.

Nos vários ensaios experimentais realizados, verificou-se que o sistema

protótipo desenvolvido cumpre adequadamente a função para o qual foi

desenvolvido, ultrapassando os requisitos impostos para o seu desenvolvimento:

facilidade de utilização e baixo custo.

Assim, o sistema desenvolvido pode ser uma mais valia para todos os

profissionais da área da Medicina Dentária.


6. Conclusões Finais e

Perspectivas de Trabalho Futuro

Conclusões Finais e Perspectivas de Trabalho Futuro

6.1: Conclusões Finais

Com este trabalho procurou-se preencher uma lacuna existente no mercado da

Medicina Dentária desenvolvendo um novo sistema protótipo para a aquisição e

análise do movimento mandibular 3D fácil de operar, económico e cómodo para os

pacientes. Para garantir que tais objectivos fossem satisfeitos, adoptou-se um

plano de desenvolvimento de produto estruturado. Esta decisão revelou-se sensata,

pois ajudou a resolver alguns dos problemas que foram surgindo e a manter um

registo adequado de todos os passos seguidos.

Ao mesmo tempo que as “necessidades do cliente” foram identificadas, foi

realizado um estudo sobre a anatomia dentária e o movimento mandibular em

causa e foram identificados alguns dos sistemas existentes para a aquisição e

análise do movimento mandibular (segundo e terceiro capítulos desta Dissertação).

Terminado este estudo, foram definidas as “especificações do produto” desejadas.

A partir deste ponto, o processo de desenvolvimento dividiu-se em três fases: 1)

escolha da tecnologia a usar, 2) concepção da estrutura do sistema protótipo e 3)

desenvolvimento da interface computacional para a visualização e a análise dos

dados 3D adquiridos (movimento mandibular).

Para adquirir a trajectória 3D do ponto incisivo foram utilizados sensores

electromagnéticos por serem baseados numa tecnologia relativamente acessível e

permitirem conceber um sistema simples e cómodo. A variação do campo

magnético registada pelos sensores é provocada por um íman colocado

adequadamente no interior da boca do paciente.

Como estrutura base do sistema de aquisição, foi escolhido um arco facial

usual em Medicina Dentária, e adaptaram-se duas das suas peças para o tornar mais

confortável na sua nova função. Deste modo, o tempo de desenvolvimento foi

reduzido assim como os custos do sistema global; do ponto de vista dos utilizadores

também se revelou uma solução vantajosa porque, de um modo geral, os médicos

dentistas possuem já nos seus consultórios este tipo de arcos faciais. Para suportar

os sensores utilizados na aquisição dos dados 3D, foi concebido um suporte

adequado a montar no arco facial usado.



A interface gráfica desenvolvida para o sistema protótipo foi implementada

recorrendo-se à ferramenta computacional LabVIEW da National Instruments. Com

a referida interface é possível visualizar e analisar o movimento tridimensional do

ponto incisivo e a sua projecção nos três planos: sagital, horizontal e frontal. Caso

seja do interesse do médico, é também possível imprimir um relatório detalhado

com a informação pessoal do paciente e os resultados obtidos no exame.

A transformação da tensão dada pelos sensores electromagnéticos em

coordenadas cartesianas 3D foi conseguida adequadamente utilizando redes

neuronais. Os resultados obtidos não são os melhores em termos de precisão mas

poderão facilmente ser melhorados, sem aumentar os custos de produção, se a

rede criada for optimizada aumentando o número de pontos da amostragem

espacial considerada ou se forem experimentadas outros tipos de redes mais

dedicadas ao problema em questão.

A qualidade das medições obtidas pode ainda ser melhorada se o íman utilizado

for substituído por outro que tenha um campo magnético mais intenso, ou se a

resolução da placa de aquisição for superior. É de salientar que a segunda opção

acarreta um significativo aumento do preço do sistema global.

O dispositivo K7 Evaluation System da Myotronics resumidamente apresentado

no terceiro capítulo desta Dissertação é, tal como o sistema protótipo desenvolvido

neste trabalho, um sistema para a aquisição do movimento mandibular 3D baseado

na variação de um campo magnético. Comparando os dois sistemas, constata-se

que o protótipo desenvolvido é mais pequeno e tem um design mais agradável e,

como se adapta a um arco facial, poderá ser comercializado a um preço bastante

mais acessível.

Deste modo, o sistema desenvolvido pode representar uma mais valia para

todos os profissionais da área da Medicina Dentária.

6.2: Perspectivas de Trabalho Futuro

Com o intuito de aumentar a comodidade do paciente, o sistema desenvolvido

poderá evoluir no sentido de transmitir o sinal dos sensores sem recorrer a fios

eléctricos; por exemplo, recorrendo-se à tecnologia wireless, cada vez mais usual.



Se tal acontecer, a forma do suporte dos sensores desenvolvido terá de ser

adaptada.

Também seria interessante estudar a possibilidade de adaptar o sistema

protótipo desenvolvido a outros arcos faciais.

No futuro, seria uma mais valia considerável calcular, a partir dos dados

obtidos pelo sistema protótipo desenvolvido, todos os parâmetros necessários para

montar os moldes dos dentes de um paciente em estudo num dado articulador.

Outra melhoria a considerar futuramente no sistema desenvolvido seria a

possibilidade de abrir e guardar os registos das medições efectuadas para

posteriormente ser possível realizar análises estatísticas dos resultados obtidos,

quer para um mesmo paciente, por exemplo ao longo do tempo ou antes e depois

de um dado procedimento médico, quer em determinadas classes de pacientes.

Ainda ao nível da interface computacional desenvolvida seria interessante criar

uma versão da mesma em Inglês.

Para converter a tensão em coordenadas cartesianas 3D foram utilizadas redes

neuronais; seria interessante fazer uma comparação entre diferentes tipos de redes

e perceber qual a influência da amostragem do espaço 3D considerado nos

resultados obtidos.

As redes neuronais também poderiam ser implementadas em hardware para

tornar a conversão consideravelmente mais rápida.

No sentido de comercializar o sistema protótipo desenvolvido, seria importante

criar os manuais do sistema e estudar o processo para a produção em grandes

séries.

Uma outra possibilidade de utilização do sistema protótipo desenvolvido,

poderá passar pela utilização da informação recolhida em procedimentos

computacionais de animação de mandíbulas, e na sua reprodução “real”

recorrendo-se a articuladores totalmente robotizados.


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[Vajna, 2005] - Vajna S, Clement S, Jordan A, Bercsey T The Autogenic Design Theory: an evolutionary view of the design process Journal of Engineering Design, vol.16, no.4, p.p. 423-440 - 2005

[Weingärtner, 1997] - Weingärtner T, Dillmann R Simulation of jaw movements for the musculoskeletal diagnoses Studies in Health Technology and Informatics, vol.39, p.p. 401-10 - 1997


http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/201986


[Weingärtner, 1998] - Weingärtner T A functional 3D simulation of the mastication system Universität Karlsruhe - 1998

[Williams, 1995] - Williams PL, Warwick R, Dyson M, Bannister LH Gray Anatomia 37ª edição Guanabara Koogan - 1995


Anexo A. Programação em LabVIEW

desenvolvimento de um sistema protótipo para a …tavares/downloads/publications/...resumo esta...

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