projeto de um mecanismo para simular o movimento da ...· simulador mecânico que pudesse simular

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  • Projeto de um mecanismo para simular o movimento da articulao de um joelho cadavrico

    Gonalo Moniz Silva Bernardo

    Dissertao do MIEM

    Orientador na FEUP: Prof. Mrio Vaz

    Faculdade de Engenharia da universidade do Porto

    Mestrado Integrado em Engenharia Mecnica

    Julho de 2012

  • Projeto de um mecanismo para simular o movimento da articulao de um joelho cadavrico

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    Com estrondoso orgulho e eterna saudade,

    dedico todo o meu trabalho ao meu pai.

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    Resumo

    Desde h alguns anos que o estudo dos mecanismos de leso de certos elementos

    constituintes do corpo humano que contribuem para a sua estabilidade a nvel mecnico,

    tem-se intensificado, dada sua importncia na compreenso, na preveno da

    degradao e na reabilitao destes elementos anatmicos. De entre os vrios casos

    salienta-se, pela sua importncia, o ligamento cruzado anterior. A leso deste elemento

    pode ter graves implicaes na mobilidade pelo que importante o seu estudo e o

    completo conhecimento da sua influncia na estabilidade e mobilidade de uma

    articulao to importante como so os joelhos.

    Este ligamento, localizado na articulao do joelho humano, contribui em grande

    parte para a sua estabilidade, e, portanto, tende a resistir a diversas solicitaes

    mecnicas externas. Muitas vezes, o seu limite de resistncia mecnica atingido e

    ocorrem leses. O indivduo lesionado pode vir a sofrer de instabilidade da articulao

    do joelho, no lhe sendo permitido ter controlo sobre a mesma. Esta situao leva a que

    o indivduo lesionado deixe de caminhar, havendo necessidade de passar por longos

    processos de reabilitao fsico-motora da articulao e, em casos mais graves, havendo

    mesmo a possibilidade de nunca mais poder retornar s prticas desportivas ou a

    restabelecer a sua mobilidade.

    Neste trabalho, aps uma intensiva pesquisa bibliogrfica, foi projetado um

    simulador mecnico que pudesse simular o mecanismo de leso do ligamento cruzado

    anterior, tendo como base os dados de registo de vdeos de situaes reais e especificas

    de ocorrncia deste tipo de leses.

    O simulador projetado de forma a permitir testar estes mecanismos de leso em

    joelhos cadavricos, atravs da transmisso de esforos semelhantes aos que ocorrem

    aquando do registo e anlise dos vdeos. Com este simulador ser permitido perceber

    melhor o mecanismo de leso sem necessidade de fazer o registo em situaes de leso

    reais, limitando o seu estudo a meros casos ocasionais e incertos da sua ocorrncia.

    Algumas limitaes so esperadas devido diferena da natureza entre um estudo

    em tecidos vivos e outro em tecidos mortos, nomeadamente a nvel da ativao

    muscular. Contudo, a concretizao fsica do simulador permitir-nos-ia estudar melhor,

    no s os mecanismos de leso, mas tambm detetar um padro de erros que poderiam

    advir da disparidade de parmetros.

    O projeto do simulador foi concretizado, a nvel estrutural, faltando apenas os

    sistemas de atuao mecnica e a sensorizao, embora esta ltima deva ser ajustada de

    acordo com o estudo em causa. As diversas peas do simulador foram projetadas de

    acordo a informao dimensional de estudos j referidos anteriormente. A adoo de

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    novas solues prende-se essencialmente com a necessidade de tornar o mecanismo

    mais verstil a nvel dimensional.

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    Abstract

    For several years now, the study of injury mechanisms of certain elements of the

    human body, that contribute to its mechanical stability, has been further intensified due

    to its importance in understanding and prevention of anatomical degradation of these

    anatomical elements. Among the various cases, one of the most important is the anterior

    cruciate ligament (ACL). The injury of these elements can bring several mobility

    implications, so their study is important, as well as, a complete knowledge of their

    influence in the stability and mobility of such an important joint as the knee.

    This ligament, located in the human knee joint, largely contributes to its stability

    and, therefore, tends to resist to various external mechanical stresses. Often, their limit

    of mechanical resistance is reached and the injuries occur. The injured person can suffer

    from instability of the knee joint, resulting in a loss of control of the knee. This leads to

    the inability of the injured person to walk; having the need to go through long processes

    of physical-motor rehabilitation of the joint and, in severe cases, there is even the

    possibility of never being able to practice sports, or to recover their full mobility again.

    In this work, after an intensive bibliographic research, a simulator was designed to

    reproduce the injury mechanism of the anterior cruciate ligament, based on data from

    video recording of specific real life situations of such lesions.

    The simulator is designed in a way that allows testing these mechanisms of injury

    in cadaverous knees, through the transmission of efforts similar to those occurring

    during the recording and analysis of the videos. This simulator will allow a better

    understanding of the injury mechanism without the need to record actual injury

    situations, limiting its study to mere occasional and uncertain cases.

    Certainly there will be some limitations due to the natural differences between a

    study of living tissues and other of cadaverous tissues, namely in terms of muscular

    activation. However, the physical embodiment of the simulator would allow us to study

    better, not only the injury mechanisms, but also to detect a pattern of errors resulting

    from the disparity of parameters that could exist between the two cases.

    The design of the simulator has been structurally well achieved, lacking only the

    mechanical activation system and the sensors, although the latter should be adjusted

    according to the concrete goals of study. The various parts of the simulator were

    designed according to the dimensional information studies cited above. The adoption of

    new solutions is important, essentially because of the need to project a mechanism

    dimensionally more versatile.

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    Agradecimentos

    Em primeiro lugar gostaria de agradecer toda a minha famlia, em especial minha

    me, por ter sido sempre uma pessoa incansvel e atenciosa durante as dificuldades que

    encontrei durante todo o meu percurso acadmico. Ao meu irmo, da mesma forma,

    agradeo por s-lo no verdadeiro sentido da palavra e estar disponvel sempre que

    preciso.

    Gostaria de agradecer, tambm, a todos os meus amigos que passaram ao longo de

    todos os anos em que estive na faculdade, pelo apoio que me deram e pelas

    valerosidades que proporcionaram e me fizeram aprender e crescer interiormente.

    Agradeo ao professor Mrio Vaz por propor o presente tema da dissertao e pela

    disponibilidade proporcionada no esclarecimento de dvidas durante a realizao da

    mesma.

    Agradeo ao engenheiro Nuno Viriato pela disponibilidade no esclarecimento de

    dvidas respeitantes ao projeto do simulador.

    Agradeo professora Maria Lusa Estriga, da Faculdade de Desporto da

    Universidade do Porto, pela ajuda prestada no que concerne aos mecanismos de leso

    do ligamento cruzado anterior e, presto tambm o meu agradecimento ao professor

    Antnio Completo, do Departamento de Engenharia Mecnica da Universidade de

    Aveiro, pela ajuda e disponibilidade prestadas.

    Agradeo aos funcionrios da FESTO Portugal por me terem recebido e esclarecido

    algumas questes no que diz respeito aos componentes de atuao pneumtica do

    simulador e agradeo professora Teresa Magalhes, diretora do Instituto de Medicina

    Legal da Universidade do Porto, novamente, pela sua, disponibilidade.

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    ndice de contedos

    1. Introduo ................................................................................................................................................. 1

    1.1 Motivao ........................................................................................................................................... 1

    1.2 Consideraes gerais do projeto do simulador ................................................................................... 1

    1.3 Noes bsicas de biomecnica e termologia elementar ................................................................... 2

    1.3.1 Planos e eixos de referncia anatmica ...................................................................................... 3

    1.3.2 Descrio dos movimentos articulares do joelho ...