DINAMÔMETRO BIOMÉDICO PARA AVALIAÇÃO DA FORÇA DOS
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XVIII Congresso Brasileiro de Automática / 12 a 16 Setembro 2010, Bonito-MS. DINAMÔMETRO BIOMÉDICO PARA AVALIAÇÃO DA FORÇA DOS MEMBROS SUPERIORES ELCIO ALTERIS DOS SANTOS Laboratório de Sensores, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Estadual Paulista - UNESP Avenida Brasil, Centro, nº 56, CEP.:15385-000 Ilha Solteira, SÃO PAULO E-mails: [email protected] ELCIO ALTERIS DOS SANTOS, APARECIDO A. DE CARVALHO, MARCELO A. A. SANCHES, WESLEY PONTES Laboratório de Sensores, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Estadual Paulista - UNESP Avenida Brasil, Centro, nº 56, CEP.:15385-000 Ilha Solteira, SÃO PAULO E-mails: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] Abstract The evaluations of hand’s strength is very important and want data from patients general conditions or people who need the check of the clamping force for functional damages. Thus biomedical dynamometer needs to assess the strength for thus the therapist occupational or physiotherapist can set targets for rehabilitation. This paper presents a dynamometer for functional evaluation, where this equipment was developed and tested with dynamic templates and unique leveraging for differentiating tests. For this verification, was made in ten normal people to compare the forces exerted in relation to data and parameters known. To carry out the work the data were collected from sensors, through a signal conditional system and a microcontroller where the result is displayed on the screen of a digital display and later in a computer screen, so this work have great value for health professionals that work in rehabilitation. Keywords Hands, Strain Gage, Dynamometer Resumo A avaliação da força da mão é de suma importância para requerer dados sobre as condições gerais de pacientes ou pessoas que necessitam a verificação da força de aperto por perdas e danos funcionais. Assim, o dinamômetro biomédico tem a finalidade de avaliar a força para que o terapeuta ocupacional ou fisioterapeuta possa estabelecer metas para a reabilitação. Neste trabalho foi desenvolvido um dinamômetro biomédico para avaliação da mão com moldes dinâmicos e exclusivos afim de, potencializar o teste da força de aperto do membro superior. Para isso foi feita a verificação de dez pacientes normais com a finalidade de comparar as forças exercidas em relação aos dados e parâmetros conhecidos. Para a realização do trabalho foram coletados os dados dos sensores, passando por um sistema de condicionamento de sinais e microcontrolador onde é apresentado o resultado na tela de um display digital e na tela de um computador, portanto este trabalho é de grande valia para os profissionais da área de saúde ao qual trabalham na reabilitação das mãos. Palavras-chave mãos, strain gage, dinamômetro . 1 e manipular objetos delicados; como órgão tátil relaciona o organismo com o meio ambiente; e possui ainda grande importância na comunicação verbal. A força de preensão não é simplesmente uma medida da força da mão ou mesmo limitada à avaliação do membro superior. Ela tem muitas aplicações clínicas diferentes, sendo utilizada, por exemplo, como um indicador da força total do corpo, e neste sentido é empregada em testes de aptidão física (BALOGUM, 1991). A mão tem um grande potencial na exploração e elaboração dos objetos e recursos humanos, assim, não se limita apenas nos aspectos construtivos, mas também nos emocionais e afetivos. Os mais primitivos e elaborados tipos de preensão foram escolhidos para desenvolver os moldes e testar a de força da mão, assim a preensão palmar foi analisada para desenvolver estes moldes diferenciados do equipamento. A figura 1 apresenta a mão envolvida em um utensílio de época primitiva. Introdução A determinação precisa das forças exercidas pelos dedos e pelas mãos é de grande valia em estudos de biomecânica. É útil para documentar a recuperação de pacientes submetidos à cirurgia nas mãos ou de pacientes que tiveram a perda da mobilidade do membro superior, devido à doença, acidente ou incapacidade. Terapeutas da mão necessitam ampliar os recursos e testes de avaliação para quantificar os resultados e sugerir um bom tratamento. A mão proporciona ao homem inúmeras ações dentre elas a função de AVD (atividades da vida diária) tais como: alimentação, higiene, vestuário e ações de AVP (atividades da vida prática) de modo geral tais como: utilizar uma calculadora, escrever, etc. É um órgão complexo com diversas finalidades: como órgão preênsil é capaz tanto de imprimir forças, como segurar 4746 XVIII Congresso Brasileiro de Automática / 12 a 16 Setembro 2010, Bonito-MS. figura 2 apresenta os arcos palmares com suas características. Figura 1- Mão em preensão em utensilio de epóca primitiva. O tipo de contração muscular, força aplicada no objeto e as habilidades funcionais que se caracterizam pelo: alcançar, pegar, transportar e soltar objetos é de fundamental importância para localizar os grupos musculares envolvidos e também detectar o nível de força aplicada e utilizada. Portanto pode-se propor e projetar um equipamento de avaliação (dinamômetro biomédico), a fim de, proporcionar exames diferenciados, clinicamente precisos para estabelecer decisões e reabilitar o membro superior. A partir de estudos com base na antropometria, fisiologia e função foi desenvolvido um dinamômetro com moldes diferentes dos demais equipamentos comerciais, com a finalidade de verificar as diversas forças á nível flexor que envolve a preensão humana requerida para o uso do cotidiano. Para isso um estudo minucioso e projetos eletrônicos na área de Engenharia de Reabilitação foram desenvolvidos com a finalidade de adequar aos aspectos mecânicos e antropométricos do sistema implementado. Portanto foram aplicados testes em 10 pessoas normais para comparação de dados e criação de estratégias de aplicação para trabalhos futuros e estes poderão ser aplicados em testes em diversos tipos de patologias dentre elas o Acidente Vascular Encefálico, Parkinson, Lesões Traumáticas da Mão, Paralisia Cerebral, etc. Contudo é de grande importância aos centros de reabilitação e habilitação de pessoas com dificuldades a nível funcional para verificação de exames que facilitem os parâmetros físicos para fisioterapeuta e parâmetros funcionais para o terapeuta ocupacional e médicos. Figura 2- Arcos Palmares Formam-se assim, o arco longitudinal da mão, o arco transverso proximal e o arco distal que facilitam o processo de preensão. Os arcos foram utilizados para projetar o dinamômetro biomédico. Outro parâmetro utilizado para caracterizar e potencializar a força aplicada adequando o membro superior ao tipo de pegada foi a preensão palmar plena. A preensão palmar plena: é a preensão de força da mão para pegar objetos pesados e relativamente volumosos literalmente. A mão se envolve em torno de objetos cilíndricos, o eixo do objeto toma a mesma direção que o eixo da corredeira palmar, isto é, em direção obliqua da base da eminência hipotênar da mão à base do dedo indicador. Esta obliqüidade, em relação ao eixo da mão e do antebraço encontra sua correspondência na inclinação do cabo de utensílios, que forma um ângulo de cem a cento e dez graus. É fácil observar que se pode compensar mais facilmente um ângulo muito aberto de cento e vinte a cento e trinta graus graças à inclinação ulnar do punho, do que um ângulo muito fechado em noventa graus, pois a inclinação radial é bem menos ampla. A figura 3 ilustra a preensão palmar plena. 2 Metodologia Os arcos palmares foram utilizados para desenvolvimento da estrutura mecânica do dinamômetro entendendo-se por arcos palmares a caracterização pelo punho em ângulo de vinte graus de flexão dorsal com a articulação metacarpofalangeana a quarenta e cinco graus de flexão e as interfalangeanas distais permanecendo em vinte graus (KAPANDJI, 1990). A Figura 3 preensão palmar plena. 4747 XVIII Congresso Brasileiro de Automática / 12 a 16 Setembro 2010, Bonito-MS. realização de testes. A figura 5 apresenta o dinamômetro biomédico usado em testes de aperto das mãos e seus respectivos ajustes para acomodar o membro superior. A estrutura mecânica e moldes ergonômicos do dinamômetro foram projetados para maximizar os aspectos biomecânicos da mão, assim como, tornar objetivos os aspectos funcionais, então construiu-se uma estrutura mecânica denominada anel dinamométrico. Este anel possui extensômetros fixados para captar os esforços da mão. Na figura 4 pode-se observar o anel dinamométrico submetido a um esforço F, com uma largura representada por a, um raio definido por R e a espessura definida por e, pode-se ver também a configuração de extensômetros colados na parte interna do anel que formam uma ponte completa de wheatstone, que garante uma melhor sensibilidade. Figura 5- Dinamômetro para teste de força da mão. Também foram desenvolvidos moldes especiais que permitem testes diferenciados que outros dinamômetros não podem oferecer. O molde que testa a flexão da região metacarpofalangeana da mão pode ser visualizado na figura 6. Figura 4- anel dinamométrico Esses parâmetros foram escolhidos para que o projeto pudesse responder de acordo com as características e propriedades do material escolhido, assim como, a força aplicada pelo paciente. Com bases nestes parâmetros e revisão bibliográfica a força aplicada e escolhida para a estrutura mecânica do dinamômetro foi definida com 500 N, a largura deste equipamento de 20 mm e o mesmo apresenta um raio interno de 11,5 mm. Com esses aspectos definidos foi possível encontrar a espessura do material e permitir que o mesmo permanecesse na região de proporcionalidade, ou seja, retornando nas condições iniciais para não danificar o extensômetro escolhido (SANCHES, 2007). A equação 1 foi utilizada para obter a espessura do anel dinamométrico onde a tensão máxima é expressa por: σ max = F3 6 R0 2 1 − + 1 2ae e π Figura 6- molde para teste da região metacarpofalangeana da mão Outros músculos que podem ser testados por meio dos moldes e por este equipamento são, os flexores da metacarpofalangeana como os músculos lumbricais, oponente do polegar, flexores profundos dos dedos, flexores superficiais dos dedos e flexores do polegar. Em avaliações funcionais pode-se testar a força de aperto total que por vezes é conhecido como preensão primitiva e assim como as pinças bi digitais na forma ampla, e também a preensão palmar plena. Portanto é um equipamento muito importante para as aplicações funcionais na área de Terapia Ocupacional. Para a escolha do extensômetro, levou-se em consideração a estrutura mecânica do dinamômetro, material do mesmo, tipo de deformação a ser captada dentre outros detalhes como ergonomia e aspectos antropométricos que entraram em harmonia e destaque com a mão. Os extensômetros utilizados foram do modelo KFG-2-D16-11, da empresa Kyowa (KYOWA, 2008), apresenta formato biaxial tipo roseta e captam forças no eixo longitudinal e transversal. Neste projeto foram utilizados dois extensômetros um de cada lado do dinamômetro que está ilustrado na figura 7. (1) Assim, as características apresentadas foram de acordo ao projeto inteiro e com isso fomenta uma coerência em todas as áreas. O dinamômetro é composto por duas barras junto do anel dinamométrico e também alguns ajustes para diferenciar seus diversos moldes e dispositivos para a 4748 XVIII Congresso Brasileiro de Automática / 12 a 16 Setembro 2010, Bonito-MS. posta do dinamômetro, no carregamento e no descarregamento, lida no mostrador digital do equipamento. Figura 7 Extensômetro utilizado no dinamômetro biomédico. Figura 9: Respostas do dinamômetro. O circuito de condicionamento de sinais para os extensômetros é constituído essencialmente por estágios de alimentação, amplificação e filtragem, após este estágio foi implementado circuitos para interfaceamento de dados com microcontrolador ATEMEGA8 da empresa ATMEL e com o software LabVIEW com resultados apresentados na tela de um computador como ilustra o diagrama de blocos da Figura 8. Na figura 8 são apresentados elementos da precisão e os resultados do experimento realizado para se determinar a precisão do dinamômetro. Na Figura 10 aparecem apenas dois pontos, situados muito próximos. A precisão do equipamento na medição da força de 146,7 N foi de 0,54 %. Figura 8- Diagrama de blocos Figura 10: Determinação da precisão do dinamômetro Ao aplicar uma força no dinamômetro há uma variação na resistência dos extensômetros que formam uma ponte de Wheatstone, portanto a ponte desbalanceada gera uma diferença de potencial e essa diferença é captada e amplificada por um amplificador de instrumentação INA 129 da Burr-Brown, logo após passa por um segundo estágio de amplificação em um componente PSoC (Programmable System on Chip) configurado para um amplificador com ganho programável (PGA), após este estágio o sinal é filtrado por um filtro passa-baixa do tipo Butterworth de quarta ordem. O interfaceamento de dados foi feito com o microcontrolador ATMEGA8 (Atmel Corporation, 2000) objetivando os resultados em um display de cristal liquido (LCD) e também foi realizada a interface com o software LabVIEW, onde os resultados são apresentados em um microcomputador para verificação e armazenamento dos dados do paciente. Após novos testes e ajustes para o dinamômetro, na Figura 9 é apresentada, no mesmo gráfico, a res- Tabela 1. Características estáticas do dinamômetro. P: Precisão; R: Coeficiente de Correlação; S: Sensibilidade; RE: Resolução. Características P (%) R S (mV/N) RE (N) 0,54 0,99 7,00 0,57 Na Figura 11 vê-se uma foto da aplicação prática do dinamômetro biomédico, onde é testada a força dos músculos flexores profundos que se inserem nas ultimas falanges dos dedos. 4749 XVIII Congresso Brasileiro de Automática / 12 a 16 Setembro 2010, Bonito-MS. fissões, portanto, os resultados esperados foram satisfatórios. A figura 14 ilustra o voluntário em exame e o terapeuta ocupacional conduzindo o teste. Figura 11: Aplicação prática com o dinamômetro Para validar o equipamento em teste, além das medidas realizadas com pesos conhecidos também foram verificados testes com dez pessoas normais. O dinamômetro foi testado gerando um resultado com uma anilha de musculação sobreposta e a resposta foi adequada gerando o mesmo peso, a figura 12 apresenta o resultado da anilha de musculação sobre o dinamômetro e observa-se que é satisfatória. Figura 14: Exame com o dinamômetro 3 Conclusão O desenvolvimento deste equipamento é inédito no que diz respeito aos moldes para os testes de aperto e funcionais, que o torna aplicável para a medição de forças exercidas por diferentes músculos da mão. Para a construção destes moldes, foram realizados estudos sobre estruturas anatômicas e topográficas das mãos de vários pacientes. A resposta é linear, com histerese desprezível, o dinamômetro biomédico implementado, está de acordo com a teoria dos extensômetros metálicos. Os resultados apresentados em testes foram adequados, assim, observa-se que este equipamento está em excelentes condições para iniciar testes com pacientes patológicos melhorando a avaliação e promovendo uma boa evolução e condutas adequadas ao tratamento proposto. Figura 12- peso conhecido de uma anilha Após este teste com a anilha foram feitos exames da força de aperto com dez pacientes normais voluntários para a validação e correlação da força. Estes pacientes foram posicionados com o antebraço em posição neutra e em um ângulo de noventa graus e com isso feito o teste sem o paciente ver o resultado a fim de, não gerar compensação na força. Assim, foi verificada a força do paciente em movimentação e aperto das mãos com o molde que favorece a preensão palmar plena. A figura 13 ilustra o exame e força aplicada do paciente. Agradecimentos Agradecimentos especiais aos meus amigos Wesley Pontes, Marcelo Augusto Assunção Sanches, ao orientador Aparecido Augusto de Carvalho e a CAPES pela bolsa cedida. Referências ATMEL CORPORATION, (s.l.: s.n., 2000). Disponível em http://www.atmel.com. Acessado em: 01 maio 2006. BALOGUM, J. A. et al. (1991) “Grip strength: effects of testing posture and elbow position.” Arch Phys, Medical Rehabilitation, n. 72, p. 280283. Figura 13- Resultado de um teste de aperto Os pacientes submetidos ao teste são estudantes e não realizam um trabalho de força como outras pro- 4750 XVIII Congresso Brasileiro de Automática / 12 a 16 Setembro 2010, Bonito-MS. KAPANDJI, I. A. (1990). ”Fisiologia Articular.”, 2 ed., São Paulo: Editora Manole Ltda. KYOWA, Sensor System Solutions. Disponível no site: http://www.kyowaei.co.jp/english/index_e.htm. Acesso em 2008. SANCHES, M. A. A. (2007). Sistema Microcontrolado para Medição de Forças na Região Plantar e nos Membros Superiores de Pacientes. Dissertação de mestrado. UNESP, Ilha Solteira - SP. 4751
