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FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHACURSO TÉCNICO DE MECÂNICA
GABRIEL FRANCISCO GHENO CAZAKEVICIUSSÍRIO ROBERTO DE PAULA JÚNIOR
YURI KIEFER ALVES
PROFUT Prótese Ortopédica para Prática de Futsal
Orientador: Prof.: Fábio Ricardo Oliveira de Souza
Novo Hamburgo2016
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GABRIEL FRANCISCO GHENO CAZAKEVICIUSSÍRIO ROBERTO DE PAULA JÚNIOR
YURI KIEFER ALVES
PROFUT Prótese Ortopédica para Prática de Futsal
Projeto de integração disciplinar apresentado ao curso Técnico de
Mecânica da Fundação Liberato
Salzano Vieira da Cunha para aprovação
nas disciplinas do curso.
Orientador: Prof.: Fábio Ricardo Oliveira de Souza
Novo Hamburgo, Setembro de 2016
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FOLHA DE ASSINATURAS
GABRIEL FRANCISCO GHENO CAZAKEVICIUSSIRIO ROBERTO DE PAULA JÚNIOR
YURI KIEFER ALVES
PROFUT Prótese Ortopédica para Prática de Futsal
FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHACURSO TÉCNICO DE MECÂNICA
Novo Hamburgo, Setembro de 2016
__________________________________Sírio Roberto de Paula Júnior
__________________________________Gabriel Francisco Gheno Cazakevicius
__________________________________Yuri Kiefer Alves
__________________________________Fábio Ricardo Oliveira de Souza
Professor Orientador
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Dedicamos este trabalho a nossa família pelo apoioem todo o decorrer do projeto, ao professor orientador
Fábio Ricardo pelo auxílio na pesquisa e pela confiançadepositada em nó
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RESUMO
Nós começamos nosso projeto com uma ideia proposta pelo orientador doprojeto, professor Fábio Ricardo Oliveira de Souza. A ideia sugerida por ele foi odimensionamento de uma prótese ortopédica direcionada para a prática de futsal.Começamos o projeto com a ideia de uma prótese que acoplasse toda a perna, masdelimitamos para a parte transtibial da perna apenas, pois na pré-apresentaçãonosso projeto foi criticado e dito como inviável pela banca.
Seguimos com a elaboração da prótese transtibial com recursos metodológicosapropriados, como por exemplo, pesquisas sobre as forças aplicadas para arealização dos movimentos em um jogo de futsal; também visitamos o iBTeC(instituto brasileiro de tecnologia do couro, calçados e artefatos); e dimensionamos aprótese no AutoDesk Inventor.
Após a análise das forças que seriam necessárias para o dimensionamento daprótese, buscamos a partir de trabalhos científicos os valores destas e em qual localdo pé seriam aplicadas. Após o grupo analisar os picos de pressão nas áreas-chavedo pé, iniciamos o processo de dimensionamento da prótese no Inventor, seguindoassim até a conclusão do projeto.
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 7
2 REFERENCIAL TEÓRICO ................................................................................. 8
2.1 Revestimento da prótese .............................................................................. 8
2.1.1 Ensaio Izod ................................................................................................... 8
2.1.2 Polietileno Linear de Baixa Densidade (PEBDL) .......................................... 9
2.1.3 Poliuretano termoplástico ............................................................................. 9
2.1.4 Polipropileno moldado ................................................................................ 10
2.2 Pressão plantar ............................................................................................ 11
2.2.1 Pico de pressão plantar para o movimento de corrida ................................ 11
2.2.2 Pico de pressão plantar para o movimento de passe ................................. 12
2.2.3 Plataforma de força .................................................................................... 14
3 METODOLOGIA .............................................................................................. 15
4 ANÁLISE DOS RESULTADOS ........................................................................ 22
5 CONCLUSÃO .................................................................................................. 23
REFERÊNCIAS ................................................................................................... 24
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1 INTRODUÇÃO
O presente projeto visa a criação e o dimensionamento de uma prótese
ortopédica voltada específica à prática do futsal, tendo a funcionalidade necessária e
formato de um pé biológico humano, para amputados e/ou deficientes que queiram
praticar esse esporte de forma segura, funcional e profissional.
Nos dias atuais, onde o número de amputações dos membros inferiores
cresce devido as doenças infecciosas e outras como diabetes e gangrena e aos
acidentes traumáticos como de trânsito e armas de fogo, se faz necessário o uso de
próteses ortopédicas. De acordo com o Ministério da Saúde, 2013, ocorreram
49,165 mil amputações pelo SUS no Brasil em 2011 e dessas, 94% foram de
membros inferiores, sendo 33,1% de causas externas como os acidentes já citados.
Considerando que esses acidentes ocorrem em maior número com pessoas
jovens e que após a amputação perdem a liberdade de praticar esportes, torna-se
necessário a criação de uma prótese que lhes ofereça a oportunidade, juntamente
da segurança, conforto e funcionalidade para a pratica do futsal. Ao mesmo tempo
que esteja dentro das normas e regras do esporte, possibilitando o uso da mesma
em competições oficiais. Abrindo também ao amputado uma forma de participar de
atividades que o incluem dentro da sociedade novamente e o ajudam a se recuperar
psicologicamente, pois, de acordo com Padovani et al. (2015, p. 110), existe “[..] um
aumento nos níveis de ansiedade, especialmente nos jovens (18 a 38 anos) e
depressão nos idosos (60 a 80 anos)”.
O problema que permeia o desenvolvimento do projeto é se é possível a
criação e o dimensionamento de uma prótese ortopédica que ofereça todas as
funcionalidades necessárias para a prática do jogo, assim como a segurança e o
conforto essencial.
Dentro de estudos realizados, foi dimensionado o formato e o material de acordo
com os esforços aplicados no pé ao correr, andar, pular e chutar, oferecendo
conforto e segurança ao usuário e os demais jogadores, viabilizando a participação
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do mesmo em competições oficiais.
2 REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 Revestimento da prótese
A prótese deve ser revestida com algum polímero de boas propriedades
mecânicas, adequadas para uma situação prática do esporte futsal, onde deve-se
ter cuidado, tanto para não machucar os outros jogadores, como para absorver
grandes quantidades de energia aplicada nos movimentos desenvolvidos num jogo.
Neste caso, o melhor material a ser utilizado é o que possui uma resistência maior
ao impacto. Para isso foram analisados polímeros submetidos ao ensaio Izod. Após
consultar profissionais com vasto conhecimento sobre polímeros, chegou-se a
conclusão de que é uma ótima alternativa a análise de três materiais por obter as
propriedades necessárias para o cumprimento das ações, muito utilizados
atualmente na indústria mundial. São eles: polipropileno, poliuretano e polietileno.
2.1.1 Ensaio Izod
O funcionamento do ensaio é possível a partir de um pêndulo de impacto e de
um corpo de prova. Existe outro ensaio de impacto também muito utilizado,
chamado Charpy, a diferença é que a posição e a fixação do teste são diferentes. No
Izod, o corpo de prova é fixado na posição vertical por um par de garras, já no
charpy, é fixado na base da máquina, na posição horizontal.
No momento que o pêndulo da máquina de teste Izod é liberado, ele oscila de
forma descendente para atingir o corpo de prova na posição vertical do braço. O
pêndulo quebra o corpo de prova e continua seu movimento, porém com uma
redução no momento, devido à energia absorvida pelo CP no instante do impacto. A
energia gasta na fratura pode ser observada a partir de uma escala graduada. Para
a obtenção de um bom resultado é preciso que o teste seja realizado pelo menos
três vezes.
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Os corpos de prova devem ter comprimento de 75 mm, com um entalhe na
forma de v, executado a 28 mm da extremidade, também devem ter uma seção
quadrada de 10mm.
As principais normas para esse teste são: ABNT: NBR8425 MB1694 para
plásticos rígidos; ASTM: D256-05a para plásticos e E23-05 para materiais metálicos.
2.1.2 Polietileno Linear de Baixa Densidade (PEBDL)
O PEBDL é utilizado normalmente em filmes para uso industrial, fraldas
descartáveis e absorventes, lonas em geral, brinquedos, artigos farmacêuticos e
hospitalares, revestimento de fios e cabos. Na tabela abaixo estão algumas
propriedades mecânicas dele:
Tabela 1 – Propriedades mecânicas do PEBDL
Fonte: MatWeb
2.1.3 Poliuretano termoplástico
Pode ser visto algumas aplicações do poliuretano no próprio dia a dia, como em
algumas capas de smartphone, solados de chuteiras e demais calçados,
mangueiras, bola de futebol, espuma de colchão expandido, espuma expandida de
PU para vedação de portas etc. A tabela abaixo contém algumas propriedades
mecânicas desse polímero:
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Tabela 2 – Propriedades mecânicas do poliuretano termoplástico
Fonte: MatWeb
2.1.4 Polipropileno moldado
Podemos citar alguns exemplos de polipropileno vistos em tanques, tubulações
para produtos químicos, brinquedos, caixas para bebidas embalagens para
alimentos e cosméticos, etc. Vejamos algumas propriedades mecânicas:
Tabela 3 – Propriedades mecânicas do polipropileno
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Fonte: MatWeb
2.2 Pressão plantar
O dimensionamento da prótese foi realizado a partir de picos de pressão em
diferentes movimentos utilizados no jogo de futsal. Os testes dos quais os dados
foram obtidos dividem o pé em nove regiões, cada uma delas com diferentes
pressões. A figura a seguir representa a divisão dos picos de pressão no pé.
A parte do calcanhar foi dividida em duas regiões, o calcanhar medial (CM) e o
calcanhar lateral (CL). A região do médio pé também foi dividida em duas partes, o
médio pé medial (MM) e o médio pé lateral (CL). O metatarso foi dividido em três
partes, o I meta, o II meta e o III a V meta (que compreendem uma só região). A
última região é a que compreende a parte dos dedos, no qual se divide em Hálux
(dedão) e dedos. A figura a seguir representa a divisão dos picos de pressão no pé.
Figura 1: Divisão dos picos de pressão plantar no pé
Fonte: O calçado esportivo destinado à prática de futsal
2.2.1 Pico de pressão plantar para o movimento de corrida
Para o dimensionamento da prótese foram utilizados os picos de pressão do
movimento de corrida no futsal. A tabela abaixo traz os picos de pressão nas nove
regiões do pé, onde foram realizados testes com três modelos de chuteira
diferentes.
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Tabela 4: Picos de pressão plantar nos movimentos de corrida
Fonte: O calçado esportivo destinado a prática de futsal
A figura a seguir traz uma representação colorida dos picos de pressão do
movimento de corrida no futsal.
Figura 2: Representação colorida dos picos de pressão plantar no movimento de corrida
Fonte: O calçado esportivo destinado a prática de futsal
2.2.2 Pico de pressão plantar para o movimento de passe
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Para o dimensionamento da prótese foram utilizados os picos de pressão do
movimento de passe no futsal. A tabela abaixo traz os picos de pressão nas nove
regiões do pé, onde foram realizados testes com três modelos de chuteira
diferentes.
Tabela 5: Picos de pressão plantar para o movimento de passe no futsal
Fonte: O calçado esportivo destinado a prática de futsal
A figura a seguir traz uma representação colorida dos picos de pressão no
movimento de corrida no futsal.
Figura 3: Representação colorida dos picos de pressão plantar no movimento de passe
Fonte: O calçado esportivo destinado a prática de futsal
A imagem a seguir traz uma representação de como o ensaio na plataforma de
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força é realizado, partindo do movimento de passe.
Figura 4: Representação do ensaio para obtenção dos picos de pressão plantar, em plataforma
de força
Fonte: O calçado esportivo destinado a prática de futsal
2.2.3 Plataforma de força
Para o dimensionamento da prótese, foi realizada uma pesquisa sobre as forças
atuantes em diferentes partes do pé de um jogador de futsal.
As forças utilizadas no dimensionamento da prótese foram encontradas a
partir de ensaios com plataforma de força AMTI (advanced mechanical technology),
ela mede a pressão causada em sua plataforma rígida por meio eletrônico. A
plataforma rígida tem dimensões 50,8x46,4x8,3cm onde possui células de carga do
tipo extensométrica (strain gauge) dispostas em seus quatro cantos, ligados em um
circuito elétrico na configuração de Ponte de Wheastone, o que resulta em um
desbalanço em tensão elétrica proporcional a força aplicada. (AMTI, 2010)
A plataforma de força possibilita a medição das três componentes de força de
reação do solo e também de três componentes de momento sobre os eixos X, Y e Z.
Seu retardo de resposta (histerese) é de +-0,2% com uma sensibilidade de
0,08uV/V*N (micro volt por volt vezes newton). Esse sistema é ligado a um
condicionador e amplificador de sinal, onde existem 6 canais AMTI OR6-5. O
equipamento possui resolução de 0,1N e sua incerteza padrão de medição é de +-
258g.
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3 METODOLOGIA
Para a definição do formato da prótese e seu material foi utilizado o Software
Invetor Professional versão 2016, com a análise de cargas dentro do ambiente de
análises de tensão conhecido como CAE. O tamanho do pé utilizado foi o de um pé
número 40/41, de acordo com as medidas das chuteiras usadas para os testes dos
picos de pressão plantar da tese O calçado esportivo destinado à prática de futsal. A
região do calcanhar ficou com a medida de 77 mm de largura, a região do metatarso
ficou com 94 mm de largura e o comprimento total da sola ficou com 280 mm.
Figura 5: Medidas da sola da prótese
Fonte: Os autores
Para a definição do formato, foram desenhados alguns no mesmo software, com
o intuito da análise de pressões que são aplicadas na sola do pé ao longo de quatro
movimentos, sendo eles: Corrida, passe, chute a gol e mudança de direção. Alguns
dos formatos desenhados estão abaixo:
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Figura 6: Primeiro modelo de prótese
Fonte: Os autores
Figura 7: Segundo modelo de prótese
Fonte: Os autores
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Figura 8: Terceiro modelo de prótese
Fonte: Os autores
As pressões dos movimentos de corrida e passe foram definidas de acordo com
as estabelecidas nas tabelas dos picos de pressão plantar da tese O calçado
esportivo destinado à prática de futsal, já citadas no capítulo Referencial Teórico.
Estas foram escolhidas a partir do seu valor máximo, não importando qual o modelo
de chuteira, a partir de cada parte do pé. As pressões para os movimentos de
mudança de direção e chute foram calculadas a partir das informações do artigo
Characteristic plantar pressure distribution patterns during soccer-specifc
movements, também já citado no capítulo Referencial Teórico. Estas informações
dizem que comparado à corrida houve um acréscimo de 220% e 160% nos picos de
pressão do calcanhar medial e do antepé na manobra de mudança de direção. Para
o chute observou um acréscimo de 250% para o calcanhar lateral (EILS, et al, 2004).
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Dessa forma, calculou-se por regra de três, a partir dos valores máximos
estabelecidos para a corrida, as pressões para os movimentos de mudança de
direção e chute a gol.
Abaixo estão as tabelas com as nove partes do pé e seus respectivos valores
finais dos quatro movimentos:
Tabela 6: Picos de pressão plantar do movimento de corrida
Partes do pé Pressão (kPa) Pressão (MPa)Hálux 569 0,569Dedos 304 0,304I meta 611 0,611II meta 489 0,489
III a V meta 464 0,464ML 267 0,267MM 129 0,129CL 412 0,412CM 363 0,363
Fonte: Os autores
Tabela 7: Picos de pressão plantar no movimento de passePartes do pé Pressão (kPa) Pressão (MPa)
Hálux 482 0,482Dedos 264 0,264I meta 451 0,451II meta 342 0,342
III a V meta 342 0,342ML 254 0,254MM 80 0,08CL 402 0,402CM 336 0,336
Fonte: Os autores
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Tabela 7: Picos de pressão plantar no movimento de mudança de direçãoPartes do pé Pressão (kPa) Pressão (MPa)
Hálux 569 0,569
Dedos 304 0,304I meta 611 0,611II meta 489 0,489
III a V meta 464 0,464ML 267 0,267MM 129 0,129CL 412 0,412CM 363 0,363
Fonte: Os autores
Tabela 8: Picos de pressão plantar no movimento de chute a golPartes do pé Pressão (kPa) Pressão (MPa)
Hálux 569 0,569Dedos 304 0,304I meta 611 0,611II meta 489 0,489
III a V meta 464 0,464ML 66750 66,75MM 129 0,129CL 1030 1,03CM 363 0,363
Fonte: Os autores
Abaixo está a imagem da sola da prótese dividida em nove partes:
Figura 9: Palmilha dividida em nove regiões
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Fonte: Os autores
Após a aplicação das cargas nas noves partes do pé, foram simuladas as
análises, com o devido refinamento da malha do objeto, realizando uma restrição
fixa na parte superior da prótese e restrições de coincidência para unir os sólidos.
Esses sólidos, na maioria dos casos, foram divididos em quatro partes, sendo elas: a
sola (palmilha), o suporte A, suporte B e a junção do pé na panturrilha. Os dois
suportes tem a função de evitar uma deformação que quebrasse a prótese, a
palmilha a de receber em todas as áreas as cargas exercidas e a junção tem o
objetivo de unir as partes do pé com o restante.
Para a realização da análise das tensões no software o movimento a ser
analisado inicialmente foi o de corrida, por ser o básico do esporte, dividindo-o em
quatro partes: corrida 1, corrida 2, corrida 3 e corrida 4. Como se sabe, as cargas
exercidas no pé não acontecem ao mesmo tempo, pois a sola não é pisada no chão
por inteiro ao mesmo tempo. Isto acontece em partes. Essas partes foram divididas
entre as 4 já citadas, sendo na primeira a região do Hálux e Dedos, a segunda a dos
Metas, a terceira do Mediopé e a quarta a do Calcanhar. Dessa forma a prótese
deve suportar ao teste com todas as partes em separado, para que seja comprovado
a sua segurança e eficiência para o movimento de corrida. Para os demais
movimentos o processo é o mesmo. Abaixo está a imagem da divisão das partes no
software:
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Figura 10: Divisão das quatro partes para análise
Fonte: Os autores
Os materiais atribuídos aos sólidos foram Poliuretano Elastomérico na palmilha e
Titânio nos suportes e junção. Esses materiais foram escolhidos por sua alta
resistência à tração e baixo peso em comparação a outros como alumínio e aço.
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4 ANÁLISE DOS RESULTADOS
Para a análise foi considerado o deslocamento, a tensão de Von Misses e o fator
de segurança obtido em cara parte das quatro divisões do movimento de corrida. Foi
observado que mesmo na mudança do formato da prótese, assim como tamanhos
das grossuras e larguras, o fator de segurança ainda era muito baixo e não
ultrapassa o valor de 0,5, não tendo segurança o suficiente para comprovar que a
prótese não rompe. O valor ideal de segurança seria acima de 2 no mínimo.
As partes onde o deslocamento era maior e o fator de segurança menor foram a
corrida 1 e a corrida 2, onde as cargas também eram maiores pelo fato de ser na
parte frontal do pé, sendo essa a que exerce mais força para realizar o movimento.
A parte da prótese que mais sofreu com o baixo fator de segurança (em
vermelho) foi no suporte A como mostra a imagem a seguir:
Figura 11: Suporte A sofrendo alta tensão de Von Misses
Fonte: Os autores
Os demais lugares da prótese resistiram as pressões atribuídas e passaram no
teste.
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5 CONCLUSÃO
Conclui-se que os formatos usados no desenho da prótese, assim como suas
medidas e seus materiais não tiveram êxito na tentativa de alcançar o objetivo que
era a definição dos mesmos. Observou-se que para alcançar esse objetivo a
metodologia dos testes pode ser a mesma, pois foi avaliada como boa, e outros
mais formatos devem ser testados, modificando principalmente a parte do suporte A
onde ocorriam as rupturas, como foi mostrado no capítulo anterior.
Também se conclui que para realização dessas análises nesse software é
recomendado que o usuário tenha amplos conhecimentos do seu funcionamento,
para que não ocorra erros que afetem o resultado final.
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REFERÊNCIAS
BRASIL. MINISTÉRIO DA SAÚDE. Diretrizes de atenção a pessoa amputada. 1 ed. p.8, 2013.
EILS, E. et al, Characteristic plantar pressure distribution patterns during soccer-specifc movements. American Journal Sports Medicine, v.32, p.140-145, 2004.
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Padovani MT; Martins MRI; Venâncio A; Forni JEN. Ansiedade, depressão e qualidade de vida em indivíduos com dor do membro fantasma. Acta Ortop Bras. 2015. Disponível em URL: http://www.scielo.br/aob.
RODA, Daniel. Polietileno (PE). Tudo sobre plásticos. Disponível em: <http://www.tudosobreplasticos.com/materiais/polietileno.asp#> Acesso em: 10 ago. 2016.
RODA, Daniel. POLIURETANO (PU) E POLIURETANO TERMOPLÁSTICO (TPU).
25
Tudo sobre plásticos. Disponível em: <http://www.tudosobreplasticos.com/materiais/pu.asp#> Acesso em: 10 ago. 2016.
RODA, Daniel. Polipropileno (PP). Tudo sobre plásticos. Disponível em:<http://www.tudosobreplasticos.com/materiais/polipropileno.asp#> Acesso em: 10ago. 2016.
TESTE Izod. CIMM. Disponível em: <http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6583-teste-izod#.V8CCQfkrLIU> Acesso em: 11 ago. 2016.