órtese funcional para mão acionada por dispositivo elétrico

  • Número do pedido da patente:
  • PI 0504704-8 A8
  • Data do depósito:
  • 21/09/2005
  • Data da publicação:
  • 12/06/2007
Inventores:
  • Classificação:
  • A61F 5/30
    M?todos ou aparelhos ortop?dicos para tratamento n?o-cir?rgico de ossos ou articula??es; Dispositivos de enfermagem; / Dispositivos ortop?dicos, p. ex. dispositivos de mobiliza??o a longo prazo ou de pressionamento direto para o tratamento de ossos quebrados ou deformados tais como talas, moldes ou suportes; / Almofadas de compress?o;
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ÓRTESE FUNCIONAL PARA MÃO ACIONADA POR DISPOSITIVO ELÉTRICO. A presente invenção propõe uma órtese funcional não invasiva (sem necessidade de intervenção cirúrgica), capaz de realizar o movimento de abertura e fechamento da mão, restabelecendo parcialmente os movimentos necessários para a realização de tarefas diárias, em indivíduos que perderam os movimentos da mão e/ou do punho.O presente invento é capaz de solucionar vários os problemas das órteses atuais, como falta de adequação estética e necessidade de conservação do movimento do punho, restaurando a função da mão de forma não invasiva, ou seja, sem cirurgias. Além disto, oferece custos menores e não é necessário que o usuário tenha o movimento do punho preservado. A órtese é acionada, preferencialmente, por meio de sinais mioelétricos (sinais gerados pela contração muscular voluntária de algum músculo ou grupo muscular preservado), sem restrições quanto ao tipo de acionamento. Além disto, são relativamente baratos e amplamente disponíveis no mercado. Outra grande vantagem é que, independente do tipo de acionamento utilizado, é uma técnica não invasiva, não sendo necessário nenhum tipo de cirurgia.

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“ÓRTESE FUNCIONAL PARA MÃO ACIONADA POR DISPOSITIVO ELÉTRICO”.

A presente invenção propõe uma órtese funcional não invasiva (sem necessidade de intervenção cirúrgica), capaz de realizar o movimento de 5 abertura e fechamento da mão, restabelecendo parcialmente os movimentos necessários para a realização de tarefas diárias, em indivíduos que perderam os movimentos da mão e/ou do punho.

Inúmeras são as causas que podem levar a perda da função da mão e/ou do membro superior. O número de pessoas com lesões vem aumentando 10 significativamente nas últimas décadas, principalmente devido a lesões traumáticas (80%) provocadas por ferimentos por projéteis de arma de fogo, acidentes automobilísticos e de motocicletas, esportes e quedas. Entre as não-traumáticas (20%) destacam-se as tumorais, infecciosas, vasculares e degenerativas.

15    As maiores causas destas incapacidades são lesões medulares altas,

lesões de nervo periférico (Lesão de plexo braquial, etc), doenças degenerativas (Esclerose lateral amiotrófica, etc), sendo difícil estimar o número de pessoas que apresentam estes problemas, mas as estimativas variam entre 0,2% a 0,6% da população mundial. Estas lesões apresentam 20 grave repercussão sobre a vida familiar, profissional e qualidade de vida do indivíduo, causando limitações para realização de atividades básicas do dia a dia, tais como se alimentar e se vestir, gerando alto custo não somente para a família, como para toda a sociedade e sistema de saúde.

Esforços para restaurar a função da mão têm incluído intervenções 25 cirúrgicas, órteses para mão e punho e vários sistemas de Estimulação Elétrico-Funcional (FES). A FES consiste na estimulação elétrica de um músculo privado de controle normal para produzir uma contração muscular de forma artificial. A FES é realizada com aplicação de eletrodos e pode ser feita usando métodos invasivos e não-invasivos. No método invasivo são utilizados 30 eletrodos implantados cirurgicamente no organismo, podendo ser estabelecidos intramuscularmente, com a utilização simultânea de fios elétricos percutâneos ou por eletrodos suturados diretamente na inervação motora. A

estimulação realizada transcutaneamente, ou seja, realizada por eletrodos localizados na superfície da pele, é considerada não invasiva.

Em busca realizada nos bancos de patentes, foi encontrada a patente americana de número 5,330,516, cujo título é “Device for generating hand function", que se refere ao uso da FES com eletrodos de superfície em pacientes com sequelas de lesão medular e de acidente vascular cerebral (AVC). O uso do FES com eletrodos de superfície apresenta vários problemas. Além da grande demanda de tempo, são necessários cuidados específicos e conhecimento da anatomia para o posicionamento correto dos eletrodos sobre a musculatura a ser ativada. Isso é agravado especialmente quando o sistema de estimulação necessita da ativação de vários músculos e quando os músculos são pequenos e se encontram agrupados. Para membros como antebraço e mão, é muito difícil posicionar a superfície dos eletrodos com exatidão e gerar movimentos harmônicos para a manipulação de objetos. Outra desvantagem é que os músculos estimulados entram em fadiga rapidamente. Além disto, indivíduos com insuficiente resposta muscular à estimulação, devido a denervação periférica, atrofia por desuso, além de outras causas, não são aptos ao uso desta técnica.

Uma abordagem que combina reconstrução cirúrgica e a implantação de sistemas de FES (também conhecidos como neuropróteses) é utilizada no estado da técnica. Nesta abordagem, os pacientes são submetidos a uma cirurgia para a colocação dos eletrodos nos músculos que serão estimulados. Além das complicações e riscos decorrentes da cirurgia, esta técnica apresenta alto custo, é propensa a falhas e freqüentemente requer cirurgia secundária para recolocar eletrodos quebrados, podendo também ocorrer rejeição dos eletrodos pelo organismo e sérias infecções. Alguns pacientes são impedidos de usar esta técnica pelo fato de não apresentarem as condições de saúde exigidas para que possam ser submetidos a um procedimento cirúrgico.

Alguns exemplos de órteses existentes usam o movimento do punho para potencializar o movimento dos dedos. Estas órteses usam o chamado efeito tenodese, no qual o movimento de flexão do punho provoca a extensão dos dedos e o movimento de extensão do punho, provoca o movimento de flexão dos dedos. Estas são confeccionadas com materiais rígidos sendo pouco aceitáveis esteticamente. Além disto, exigem que seu usuário apresente o controle voluntário dos movimentos de extensão do punho contra a gravidade, não podendo ser usada por indivíduos com ausência deste movimento.

Órteses que usam da tenodese, sendo acionadas por motores elétricos e por músculos artificiais também são descritas na literatura. Porém, têm tido historicamente pouca aceitação pelos pacientes, devido a sua pouca funcionalidade (os movimentos gerados não correspondem às necessidades dos pacientes), robustez, dificuldade de controle e utilização, péssima estética e alto custo.

Algumas das órteses/ neuropróteses descritas na literatura são controladas por chaves montadas na cadeira de rodas ou em algum local de fácil alcance do paciente. A principal desvantagem é que elas exigem que o usuário ocupe seu braço oposto para controlar o seu braço instrumentalizado. Isso usualmente significa que as tarefas têm que ser efetuadas com uma só mão. Além disto, é difícil instalar chaves onde elas sejam sempre acessíveis ao paciente. A patente americana de n° 3,967,321 cujo título é “Electrically driven hand orthosis device for providing finger prehension” é um tipo de órtese cuja parte de seu equipamento é montado sobre a cadeira de rodas.

Outro problema encontrado nas órteses disponíveis atualmente é que são freqüentemente desajeitadas, pouco aceitáveis esteticamente, fornecem poucas funções, além do difícil acesso dos pacientes a estes equipamentos que em geral são de alto custo e complexas em termos de mecânica e controle.

O presente invento é capaz de solucionar vários dos problemas descritos acima, restaurando a função da mão de forma não invasiva, ou seja, sem cirurgias. Além disto, oferece custos menores e não é necessário que o usuário tenha o movimento do punho preservado.

Os desenhos em anexo, mostram a órtese proposta:

-    A figura 1 mostra o desenho em visão dorsal da órtese.

-    A figura 2 mostra o desenho em visão ventral da órtese.

Em conformidade com o que ilustram as figuras acima relacionadas, a órtese funcional para mão, objeto do presente pedido, consiste em uma ou mais luvas (figura 1 - 1) de malha ou outro material flexível, sem restrição quanto ao material. É equipada com músculos artificiais (figura 2 - 2), compostos, preferencialmente, por um ou mais motores elétricos (figura 2 - 2), sem restrição quanto ao número e ao tipo de músculo artificial utilizado. Os motores podem estar acoplados ou não a redutores. Impõem movimento a um fio ou a uma haste, que formam os tendões artificiais (figura 2-3). O movimento de extensão e de flexão dos dedos ocorrerá ao acionar o motor elétrico no sentido horário ou anti-horário, podendo também ser realizado pels tração dos tendões artificiais por uma mola (figura 1- 4), elástico ou outro equipamento fixado na luva (figura 1-1), sem restrição. Os tendões artificiais (figura 1 e 2 - 3) são compostos por fios, que são fixos, preferencialmente, na região das falanges distais dos dedos e passam por túneis (figura 1 e 2 -11) em direção ao centro da mão. Ventralmente, os tendões seguem por um túnel (figura 2-9) que os conectam ao motor. Estes fios podem ser de Nylon, de metal ou de outros materiais, sem restrição.

A órtese é acionada, preferencialmente, por meio de sinais mioelétricos (sinais gerados pela contração muscular voluntária de algum músculo ou grupo muscular preservado), sem restrições quanto ao tipo de acionamento. No caso da órtese ser acionada por meio de sinais mioelétricos, eletrodos de superfície (figura 2-5) são fixos na pele sobre um músculo preservado previamente selecionado e são responsáveis pela captação deste sinal. Os eletrodos são conectados a um circuito elétrico (figura 2-6) que é responsável pela interpretação do sinal e pelo comando do motor. Desta forma, quando o usuário realiza a contração do músculo selecionado, o sensor faz a captação do sinal mioelétrico, envia para o circuito que interpreta o sinal e aciona o motor. Assim a órtese será controlada voluntariamente pelo próprio usuário. A vantagem desta técnica é que estes eletrodos são fáceis de serem aplicados e removidos e seu uso é facilmente aprendido para aplicações clínicas. Além disto, são relativamente baratos e amplamente disponíveis no mercado. Outra grande vantagem é que, independente do tipo de acionamento utilizado, é uma técnica não invasiva, não sendo necessário nenhum tipo de cirurgia.

O punho é estabilizado, preferencialmente, em extensão ou próximo da posição neutra e o polegar estabilizado, preferencialmente, em abdução, podendo também ser colocados em outras posições. Para a estabilização destas articulações são usadas uma ou mais talas (figura 2-7), podendo ser de plástico ou metal, sem restrição quanto ao tipo de material.

A região da polpa dos dedos apresenta abertura (figura 1-10) para a visualização de alterações vasculares e antiderrapante (figura 2-8) evitando que os objetos escorreguem da mão. O antiderrapante pode ser colocado em outros pontos da luva, sem restrições.

A órtese permite os movimentos de flexão e extensão dos dedos 2o ao 5o, permitindo que a mão se adapte a objetos de diferentes formas e tamanhos.

O circuito de acionamento da órtese é apresentado nas figuras 3, 4, 5 e 6. Os valores dos componentes (resistores, capacitores, circuitos integrados, baterias entre outros) estão representados nas figuras, podendo ser substituídos por outros componentes equivalentes, sem restrições.

-    A figura 3 mostra o diagrama em blocos do circuito completo;

-    A figura 4 mostra em detalhe dos canais de tratamento do sinal mioelétrico;

-    A figura 5 mostra em detalhe o controle lógico, a proteção e alimentação do sistema;

-    A figura 6 mostra em detalhe acionamento do motor.

Em conformidade com o que ilustram âs figuras acima relacionadas, o diagrama em blocos do circuito (figura 3) mostra os eletrodos (figura 3-3.1 e

3.2) , os canais de tratamento do sinal mioelétrico (figura 3-4.1 e 4.2), a proteção (figura 3-5.1), o controle lógico (figura 3 - 5.2), a ponte H (figura 6 -6.1), o motor (figura 6 - 6.2) e as baterias de alimentação do motor (figura 6-

6.3) .

A captação do sinal mioelétrico é feita, preferencialmente, por um sensor ativo de superfície (figura 2 - 5), sem restrição quanto ao tipo de sensor. Este é considerado ativo, pois amplifica e filtra o sinal mioelétrico em seu local de captação. Os sensores são conectados aos canais de tratamento por meio de um conector (figura 4 - 4.1.4 e 4.2.4).

Os canais de tratamento do sinal mioelétrico estão apresentados em maior detalhe na figura 4. Cada canal é responsável por transformar o sinal 5 captado pelo eletrodo em uma onda quadrada, cujos valores de mínimo e máximo seguem os níveis de alimentação do circuito (figura 5 - 5.3). O valor máximo representa a ativação do músculo onde o eletrodo está fixado e o valor mínimo representa a não ativação do mesmo músculo. Esta onda quadrada é responsável por polarizar um transistor (figura 4 - T1), mandando um sinal para 10 uma das entradas do microcontrolador (figura 5 - IC3). Há um canal de tratamento específico para cada eletrodo (figura 4-4.1 e 4.2). Cada um destes canais contém 3 blocos, sendo que o canal de tratamento 4.1 possui os blocos

4.1.1,    4.1.2 e 4.1.3 (figura 4) e o canal de tratamento 4.2 possui os blocos

4.2.1, 4.2.2 e 4.2.3 (figura 4). Os blocos do canal 4.1 se equivalem, 15 respectivamente, aos blocos do canal 4.2, que são ajustados de forma a

adequar os níveis de sinal às características fisiológicas do grupo muscular no qual cada canal está ligado. Os blocos 4.1.1 e 4.2.1 representam um amplificador com ganho ajustável. Em cada um deles são utilizados amplificadores operacionais (figura 4 - IC2C e IC2D), resistores, (figura 4 - R1 e 20    R5) e trimmer multivoltas (figura 4 - R14 e R15). O ganho do amplificador é

ajustado por meio da variação da resistência do trimmer de acordo com a necessidade apresentada pelo sinal eletromiográfico do paciente, e obedece a equação: ganho do canal 4.1 = (R14/R1), e ganho do canal 4.2 = (R15/R5).

Os blocos 4.1.2 e 4.2.2, são responsáveis por retificar o sinal mioelétrico com o 25 diodo (figura 4 - D1 e D2) e posteriormente filtrar o sinal retificado com um filtro RC passa baixa com freqüência de corte ajustável. O filtro é composto por um capacitor eletrolítico (figura 4 - C2 e C1), e um trimmer multivoltas (figura 4 -R13 e R12). Os blocos 4.1.3 e 4.2.3 tratam-se de comparadores bioestáveis Schmitt Trigger. Neles utilizam-se amplificadores operacionais (IC2B e IC2A -30 figura 4), resistores (figura 4 - R2, R3, R4, R6 ,R7 e R8) e trimmer multivoltas (figura 4 - R17 e R16). O trimmer é responsável por ajustar a sensibilidade do dispositivo relativa à ativação muscular.

O circuito também é constituído de controle lógico (figura 5 - 5.2), proteção (figura 5-5.1) e alimentação do sistema (figura 5 - 5.3). O controle lógico do sistema é realizado pelo microcontrolador (figura 5 - IC3); o sistema utiliza apenas duas portas de saída (RB4 e RB5) que são os pinos 10 e 11 do IC3, e três portas de entrada (RA2, RA3 e RA4) que são os pinos 1, 2 e 3. Os sinais de entrada do sistema são:

SOBRE_CORRENTE: é o sinal que informa ao microcontrolador que a corrente, que circula no motor atuador, está acima do limiar máximo estipulado.

PIC_PIN1_CANAL_A: é o sinal proveniente do canal de tratamento 4.1 (figura 4). Informa quando o músculo, cujo respectivo eletrodo está fixado, possui atividade.

PIC_PIN2_CANAL_B: é o sinal proveniente do canal de tratamento 4.2 (figura 4). Informa quando o músculo, cujo respectivo eletrodo está fixado, possui atividade.

O microcontrolador gera dois sinais de saída, um no SENTIDO_MOTOR_HORARIO (figura 5    - pino RB4) e outro no

SENTIDO_MOTOR_ANTIHORARIO (figura 5 - pino RB5). Estes são enviados para os transistores de acionamento do motor (figura 6 - T4 e T5) para controlar o chaveamento dos relés (figura 6 - k1, k2, k3 e k4), e com isso controlar o sentido de rotação do motor. O CLOCK do microcontrolador é gerado internamente. Desta forma, os pinos 15 e 16 do IC3 ficam abertos, mas podendo ter um circuito oscilador no caso de se desejar um clock externo para o microcontrolador.

O circuito de proteção (figura 5 - 5.1) é o dispositivo responsável por controlar a força com que a órtese irá segurar os objetos. Isso é feito através do controle da corrente que passar pelo motor. Através deste controle, obtém-se, concomitantemente o controle do torque, uma vez que o valor deste último é diretamente proporcional ao da corrente. O valor da corrente é medido através do valor de tensão do resistor R28 da figura 6. O valor da tensão do resistor é medido por meio de um amplificador diferencial (figura 5 - IC1A). Posteriormente, o sinal de tensão do resistor R28 (figura 6) é submetido a um comparador (figura 6 - IC1B), onde o trimmer multivoltas (figura 5 - R22) é responsável por ajustar o limiar de corrente. Uma vez que este limiar de corrente é ultrapassado, o transistor T3 (figura 5) envia o sinal SOBRE_CORRENTE ao microcontrolador, que irá gerar uma interrupção no sistema do microcontrolador.