Dissertations / Theses on the topic 'Prótese transtibial'

Mestrado em Engenharia Mecânica
Actualmente existem milhões de pessoas que necessitam de próteses, sendo a grande maioria residente em países do terceiro mundo. Estas pessoas não conseguem suportar os elevadíssimos custos dos actuais componentes protésicos, motivo pelo qual urge o desenvolvimento de produtos cujo preço lhes seja acessível. O flagelo das minas terrestres continua a ser a principal causa de amputações nos países mais pobres, onde uma percentagem considerável destas vítimas corresponde a crianças dos 6 aos 10 anos. O objectivo deste trabalho foi a comparação de três próteses, cujos componentes estão disponíveis no mercado, visando o desenvolvimento futuro de uma prótese transtibial endoesquelética de baixo custo. Esta prótese deverá ser responsável por uma maior adaptabilidade e funcionalidade no que diz respeito à sua ergonomia e materiais. Recorreu-se a um software de modelação 3D para efectuar a modelação das próteses e posteriormente proceder à simulação e comparação da estrutura membro-prótese, tendo utilizado como modelo uma criança de 10 anos. Para isso utilizou-se o “LifeModeler”, que é uma aplicação computacional destinada a prever e simular a locomoção humana. Estas simulações foram realizadas recorrendo a materiais de diferente natureza, nomeadamente materiais metálicos, compósitos e poliméricos, com intuito de conhecer as forças e momentos aplicados nas articulações do modelo, nomeadamente no joelho esquerdo. Uma vez conhecidos os momentos e forças, estes foram utilizados para efectuar a análise estrutural de cada prótese com o Método dos Elementos Finitos. Os resultados obtidos permitiram determinar a prótese que melhor respondeu às solicitações no que diz respeito ao seu comportamento biomecânico. ABSTRACT: There are millions of people currently in need of prostheses, living mainly in third world countries. These people can not afford to pay the high cost of the existing prosthetic components, therefore it is urgent the development of lower cost products in order to make them affordable. The plague of landmines is still the main cause of amputations in the poorest countries, where a significant proportion of these victims are 6 to 10 year old children. The purpose of this study was the comparison of three prostheses whose components are available in the market aiming the development of a low cost transtibial endoskeleton prosthesis in the near future. This prosthesis should be responsible for greater adaptability and functionality regarding its ergonomics and materials. A 3D modeling software was used to perform the modeling of the prosthesis and used to simulate and compare the prosthesis-member structure, using a 10 year old child model. "LifeModeler" was used and is a computer application designed to predict and simulate human locomotion. These simulations were carried out using different nature materials such as metallic, composite and polymeric, aiming to determine the forces and moments applied in the joints of the left knee of the model. Once all moments and forces were known, they were used to perform the structural analysis of each implant using the Finite Element Method. The final results made it possible to conclude which prosthesis suits better concerning the biomechanical behaviour requirments.

FINEP; CAPES; CNPQ; Fundação Araucária; ANEEL
O presente trabalho apresenta uma aplicação de sensores à fibra ótica baseados em redes de Bragg encapsulados em compósito de resina polimérica com reforço de fibra de vidro no formato de tubo. O objetivo do trabalho foi projetar, fabricar e caracterizar o dispositivo sensor aplicado ao ciclo da marcha e a mudança do centro de gravidade em amputado transtibial, através da análise de de deformação e resistência do tubo conector da prótese transtibial. Para essa investigação foi produzido um tubo com o material compósito descrito anteriormente através do método de Moldagem por Transferência de Resina (RTM), com quatro sensores óticos. A prótese em que o tubo original foi substituído é classificada como endoesquelético, possui encaixe à vácuo, tem o tubo conector de alumínio e pé com amortecimento de fibra de carbono. O voluntário para os testes foi um homem de 41 anos, 1,65 metros de altura, 72 quilogramas e canhoto. Sua amputação ocorreu devido a trauma (secção cirúrgica nível medial feita abaixo do joelho do membro inferior esquerdo). Ele é usuário de prótese transtibial há dois anos e oito meses A caracterização dos sensores óticos e análise da deformação mecânica e resistência do tubo deu-se pelo ciclo da marcha e a variação do centro de gravidade do corpo através dos seguintes testes: levantar-se, apoiar na perna sem a prótese, apoiar na perna com a prótese, locomoção para frente e locomoção para trás. Os resultados mostram além da caracterização do ciclo da marcha em um amputado transtibial, também um elevado grau de integração das FBGs no compósito e uma alta resistência mecânica do material.
This work presents an application of optical fiber sensors based on Bragg gratings integrated to a transtibial prosthesis tube manufactured with a polymeric composite systrem of epoxy resin reinforced with glass fiber. The main objective of this study is to characterize the sensors applied to the gait cycle and changes in the gravity center of a transtibial amputee, trough the analysis of deformation and strengh of the transtibial prosthesis tube. For this investigation it is produced a tube of the composite material described above using the molding method of resin transfer (RTM) with four optical sensors. The prosthesis in which the original tube is replaced is classified as endoskeletal, has vacuum fitting, aluminium conector tube and carbon fiber foot cushioning. The volunteer for the tests was a man of 41 years old, 1.65 meters tall, 72 kilograms and left-handed. His amputation occurred due to trauma (surgical section is in the medial level, and was made below the left lower limb knee). He has been a transtibial prosthesis user for two years and eight months. The characterization of the optical sensors and analysis of mechanical deformation and tube resistance occurred through the gait cycle and the variation of the center of gravity of the body by the following tests: stand up, support leg without the prosthesis, support in the leg with the prosthesis, walk forward and walk backward. Besides the characterization of optical sensors during the gait cycle and the variation of the gravity center in a transtibial amputated, the results also showed a high degree of integration of the sensors in the composite and a high mechanical strength of the material.

Orientador: Marco Antonio dos Reis Pereira
Banca: Luis Carlos Paschoarelli
Banca: Cesar Foschinni
Resumo: Os elevados investimentos em tecnologia e materiais de alto desempenho no mercado de produtos assistivos vêm resultando em equipamentos de alta sofisticação, porém de custo elevado, o que inviabiliza sua aquisição pela população de baixa renda. No Brasil, apesar de o Sistema Público de Saúde (SUS) possibilitar a obtenção gratuita dessas próteses, o serviço é caracterizado por falhas e longos períodos de espera. Dessa maneira, buscando atender essa demanda existente no Brasil por próteses de preço acessível para população de baixa renda, este presente estudo propõe o desenvolvimento de um produto alternativo aos convencionais através do desenvolvimento e a avaliação experimental de um protótipo de prótese transtibial fabricado com materiais sustentáveis de baixo custo. Por serem provenientes de fonte renovável, o emprego destes biocompósitos resultantes da junção de bambu e resina poliuretana à base de óleo de mamona, contribuiu para a redução do impacto ambiental e também para a redução do preço final do produto. Para as etapas de Projeto do Produto, foram adotadas metodologias específicas do design de produtos centrado no usuário, bem como metodologias para processamento de materiais e avaliação de protótipos. A adoção dessas metodologias e o emprego de softwares CAD e CAE durante toda a fase de projeto contribuiu para um desenvolvimento eficiente das etapas, auxiliando na prevenção de falhas e redução no tempo de produção. A qualidade dos compósitos e dos produtos resultant... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo)
Abstract: The high investments in technology and high-performance materials in the assistive products market have resulted in highly sophisticated equipment, but also with a high cost, which makes it unfeasible for the low income population. In Brazil, although the Public Health System (SUS) makes it possible to obtain these prostheses free of charge, the service is characterized by failures and long waiting periods. Therefore, the present study proposes the design of an alternative product to the conventional ones through the development and the experimental evaluation of a prototype of transtibial prosthesis manufactured with low cost sustainable materials. The use of these biocomposites, resulted from the joining of bamboo and polyurethane resin based on castor oil, contributed to the reduction of the environmental impact and also to the reduction of the final product price. For the Product Design stages, specific user-centered product design methodologies were adopted, as well as methodologies for processing materials and evaluating prototypes. The adoption of these methodologies and the use of CAD and CAE software throughout the design phase contributed to an efficient development of the steps, helping to prevent failures and reduce production time. The quality of the composites and the products resulting from the proposed methodology can be noticed in the results of the mechanical tests that, even preliminary, confirmed the feasibility of applying the natural composites in the ma... (Complete abstract click electronic access below)
Mestre

Ingeniero Civil Mecánico
La cantidad de personas que se han tenido que someter a una operación de amputación ha crecido en la última década y se proyecta que siga creciendo. Los costos de una prótesis comercial que permite al sujeto volver a sus actividades normales son muy altos para una gran porción del público que las necesitan. Otras soluciones, como usar muletas, no proveen la suficiente funcionalidad al paciente, quien debe compensar estas deficiencias con otros movimientos. El objetivo del trabajo realizado es concebir una prótesis de pierna para aquellos amputados que posean una amputación a nivel de tibia, o transtibial y que ésta sea de un costo/vida útil conveniente. Para el cumplimiento de este objetivo se identifican cuatro fases clave: Primero, diseñar y optimizar una tibia que provea soporte estructural al peso del usuario, siendo el método independiente del paciente; segundo, diseñar un pie que permita dorsiflexión plantar, inversión y eversión de tobillo, dándole al usuario un buen rango de movimiento y estabilidad en la articulación; tercero, modelar la respuesta estática y de resistencia a la fatiga, debido a los esfuerzos cíclicos a los que se ve expuesta cada pieza; Por último, hacer una evaluación económica y análisis de influencia de partidas para la producción de un único prototipo. Se diseña una prótesis a partir de placas de polioximetileno cortadas con waterjet y Nylon12 impreso en 3D, con un costo total de 173,500 pesos y un costo anual de 77,400 pesos por concepto de reemplazo de piezas. En este trabajo también se proponen mejoras a los algoritmos desarrollados, así como mejoras posibles al diseño general y procesos de manufactura involucrados en la prótesis concebida. Esto con miras a una segunda iteración en el diseño.

Submitted by repositorio repositorio (repositorio@unifei.edu.br) on 2015-12-04T16:28:29Z No. of bitstreams: 1 dissertacao_martins_2015.pdf: 5455940 bytes, checksum: 5c70c73af49f77d72e4f3dbb9de6112d (MD5)
Made available in DSpace on 2015-12-04T16:28:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao_martins_2015.pdf: 5455940 bytes, checksum: 5c70c73af49f77d72e4f3dbb9de6112d (MD5) Previous issue date: 2015-08
O presente trabalho utilizou-se da moldagem por bladder (BIM) com material pré-impregnado unidirecional em fibras de carbono/epóxi de cura rápida, para a fabricação de tubos compósitos para próteses transtibiais. A moldagem por bladder foi escolhida por permitir a fabricação de compósitos estruturais a partir de ferramental simples, devido às baixas pressões de processamento necessárias, a processabilidade do material pré-impregnado e apenas a uma referência na literatura fabricação de tubos para próteses por BIM. Este trabalho utilizou software de elementos finitos para otimização da sequência de empilhamento das camadas, analisando 19 tipos de configuração em software, de maneira a resistir os carregamentos requisitados na norma NBR ISO 10328, com o menor número de camadas possível. Assim, diminuindo o material pré-impregnado utilizado na fabricação dos tubos, conseguiu-se obter no presente trabalho um produto com custo de fabricação reduzido, deixando-o mais competitivo apesar do elevado valor do pré-impregnado, e com a menor relação de densidade linear obtido na literatura e entre os tubos comerciais. Os tubos fabricados neste trabalho suportaram os carregamentos estáticos (compressão e torção) e de compressão em fadiga por 3x10⁶ ciclos com frequência de 12 Hz, sendo que em compressão estática os tubos resistiram 4 vezes mais do que necessário. Em ensaios de fadiga, os tubos reduziram apenas 4% da resistência mecânica à compressão em ensaios de resistência residual. Caracterizações térmicas/termomecânicas por DSC e DMA, microscopia ótica, medidas lineares e de volume de fibras/vazios por digestão ácida, foram utilizadas para evidenciar a qualidade e robustez do processo empregado. Além disso, técnicas para análise e acompanhamento de danos em fadiga, como análise de vibração, medidas da rigidez mecânica e de histerese, e análise de falhas por MEV, foram utilizadas.

La creciente demanda de prótesis debido a la perdida de miembros inferiores implica tomar en cuenta a todo estrato socioeconómico de la población afectada. El 57.5% de las personas que usan prótesis en el Perú son de un estrato socioeconómico de pobreza y el 25,4% de extrema pobreza. El crecimiento de los niños representa una cualidad a tener en cuenta durante el uso de prótesis pediátricas, esto conlleva a un costo de mantenimiento que se da 2 veces al año, en el cual se realizan ajustes de longitud, fijaciones externas, entre otros. Una prótesis de miembro inferior económica rodea los 2000 dólares, incluyendo pasajes, consulta y ajustes. Se realizó el diseño de una prótesis transtibial infantil, adaptable al crecimiento del usuario para pacientes de 8 a 12 años, realizado con Aluminio 6061, debido a que cuenta con las propiedades mecánicas requeridas en su uso, el diseño se desarrolló con la metodología de matriz morfológica, atendiendo los criterios de regulación del tamaño en el pie y caña, se tomó el peso promedio del miembro inferior en los años que el paciente podrá usarlo. Se realizó el diseño CAD, y estudios CAE – SolidWorks, de la prótesis con un análisis estático estructural y de fatiga. Los resultados arrojaron un factor de seguridad muy fiable en la prótesis igual a 4.8. Finalmente se realizó la validación Económica de la fabricación de la prótesis, obteniendo un valor de S/. 2440,19 respecto de los S/. 4000.00 que costaría adquirir una prótesis en el mercado

Orientador: Bruno Livani
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Ciências Médicas
Made available in DSpace on 2018-08-21T12:14:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Carvalho_JoseAndre_D.pdf: 5523749 bytes, checksum: 5c534ff80bb87a60f0d6051a9ccc279b (MD5) Previous issue date: 2012
Resumo: A escolha do nível de amputação e da técnica cirúrgica a ser adotada nas amputações dos membros inferiores deve ser avaliada com muita atenção, pois influenciará diretamente na reabilitação física e na protetização do amputado. A preservação da articulação do joelho permitirá ao amputado uma marcha mais fisiológica e o processo de reabilitação mais funcional. Em situações específicas como nos traumas ortopédicos com lesão grave do membro inferior, a opção por uma amputação transtibial realizada imediatamente abaixo da tuberosidade tibial com manutenção da inserção do tendão patelar, pode resultar em cotos extremamente curtos, porem cotos funcionais. Amputados com cotos transtibiais extremamente curtos, com comprimento ósseo médio de 4,4cm, ao final do tratamento encontravam-se plenamente adaptados as próteses e satisfeitos com a qualidade de marcha após a reabilitação. Em situações eletivas, a indicação de amputações transtibiais clássicas podem ser substituídas por amputações com periosteoplastia tibio-fibular ou amputações com o uso do retalho plantar neuro-vascular pediculado e com fusão do calcâneo à tíbia. Os pacientes submetidos à técnica de periosteoplastia apresentaram grande capacidade na realização de descarga distal sem dor, durante a utilização de suas próteses. Pacientes submetidos às amputações transtibiais com uso do retalho plantar neuro-vascular pediculado e com fusão do calcâneo à tíbia, apresentaram como resultado um coto ósseo distal bastante estável, com maior área terminal para descarga de peso e fixação do próprio soquete protético, contribuindo muito no processo de reabilitação. Nestas três situações distintas, realizadas com técnicas cirúrgicas não convencionais, como nos cotos transtibiais extremamente curtos, na perioplastia tibio-fibular e com uso retalho plantar neuro-vascular pediculado e fusão do calcâneo à tíbia; excelentes resultados puderam ser observados no processo de reabilitação e na confecção customizada das próteses, quando comparada com as amputações transtibiais clássicas
Abstract: The choice of the level of amputation and surgical technique to be adopted in lower limb amputations should be assessed carefully, because it will influence directly on the fitting and physical rehabilitation of the amputee. The preservation of the knee joint renders the amputee a more physiological gait and a more functional process of rehabilitation. In specific situations, such as orthopedic trauma with severe lower limb injury, the option for a transtibial amputation performed just below the tibial tuberosity, with maintenance of the insertion of the patellar tendon, can result in extremely short, stumps, but functional stumps. Transtibial amputees with stumps extremely short, with an average bone length of 4.4cm, were fully adapted to the prostheses and satisfied with the quality of gait after rehabilitation. In elective situations, the classical transtibial amputations can be substituted by amputations with tibio-fibular periosteoplasty or the use of a neuro-vascular pediculated plantar flap graft, with fusion of the calcaneous to the tibia. Patients undergoing periosteoplasty technique presented a painless and high capacity terminal discharge during use of the prostheses. Patients submitted to a neuro-vascular pediculated plantar flap graft with fusion of the calcaneous to the tibia, presented a stable distal bone stump with a larger distal bearing area and better fixation of the prostheses, contributing positively to the rehabilitation process. In these three different situations, that made use of no convencional surgical techniques, as in the extremely short leg stumps, tibio-fibular periosteoplasty and the use of a neuro-vascular pediculated plantar flap graft, with fusion of the calcaneous to the tibia; excellent results may be achieved in the rehabilitation process and in the fitting of custom prostheses, when compared with traditional transtibial amputations
Doutorado
Fisiopatologia Cirúrgica
Doutor em Ciências

El presente trabajo conlleva el diseño conceptual de un módulo de ensayos para prótesis transtibial que permite emular condiciones de marcha en superficies planas, inclinadas y con irregularidades. Este trabajo surge de la necesidad de verificar mediante ensayos la funcionalidad de prótesis transtibiales que lleguen a ser fabricadas en el país, lo cual no está contemplado en una normativa internacional, dado el incremento en la fabricación de estas por parte del INR y de la producción científica orientada a este ámbito. Asimismo, aborda problemas que surgen de los ensayos en pacientes amputados como el incremento de costos y tiempo, trámites complicados, y falta de repetitividad. El proceso de diseñó está basado en la Norma Alemana VDI 2206 culminando en la selección y detalle del concepto de solución óptimo. Así, se sientan las bases para continuar con el diseño definitivo mediante la ingeniería de detalle en trabajos futuros. Además, el diseño de la máquina está orientado a emular ciclos de marcha en las condiciones requeridas obteniendo información mediante sensores de fuerza y unidades de medición inercial, con lo cual se podrá verificar la funcionalidad de las prótesis prescindiendo de ensayos en humanos en primera instancia.
Trabajo de investigación

Introdução: A amputação transtibial é uma das amputações de membros inferiores mais frequentemente realizada. Objetivo: Este trabalho teve por objetivo comparar, através da análise tridimensional da marcha, as alterações de marcha de pacientes com amputação transtibial, previamente treinados, que utilizavam próteses com encaixe Kondylen Bettung Münster (KBM) e a vácuo. Metodologia: Foram avaliados voluntários com amputação transtibial que utilizavam encaixe KBM ou a vácuo disponibilizados pelos Sistema Único de Saúde (SUS). A amostra final foi de 12 participantes no grupo “KBM” e 5 no grupo “vácuo”. Todos eles passaram por um exame físico, que constou de goniometria, teste de força muscular e coleta de dados antropométricos. Eles também realizaram análise tridimensional (3D) da marcha. Para tal, eles foram paramentados com marcadores reflexivos em pontos anatômicos e os correspondentes da prótese, de acordo com o modelo Helen Hayes e caminharam por uma pista de 10 metros com uma velocidade auto selecionada. O sistema de captura consistiu em 6 câmeras Hawk e software Cortex versão 1.1.4.368, de captura e edição das caminhadas, ambos da Motion Analysis Corporation. A comparação entre os dois grupos foi realizada através da Pontuação do Perfil da Marcha (GPS), das Pontuações das Variáveis da Marcha (GVS) e dos parâmetros de tempo e espaço da marcha. Além disso, foi testada a correlação entre a GPS e as GVS e entre a GPS e os parâmetros de tempo e espaço da marcha. Resultados: Os dois grupos obtiveram velocidade da marcha significativamente menores, período de apoio significativamente maior e o tempo de apoio simples menor que o normal. Nos dois grupos ainda, os valores de GPS e GVS foram maiores que o normal, porém o “KBM” apresentou maiores desvios que o “vácuo”. Os maiores desvios do grupo do encaixe KBM foram nas GVS flexão/extensão dos quadris, flexão/extensão dos joelhos e dorsi/plantiflexão do tornozelo MIP, podendo assim caracterizar este como o padrão de desvio do Perfil de Análise do Movimento (MAP) deste grupo. O grupo “vácuo” teve os principais desvios nas GVS dorsi/plantiflexão dos tornozelos, flexão/extensão do joelho MIP e rotação pélvica, sendo este o padrão de desvio do MAP deste grupo. Encontraram-se, portanto, padrões diferentes de desvio nos dois grupos. Os dois grupos apresentaram desvios no MICL, os quais representam as compensações realizadas neste membro para possibilitar uma marcha mais funcional com a prótese. Os participantes que utilizaram o encaixe a vácuo apresentaram marcha mais simétrica que os participantes que utilizavam encaixe KBM. O grupo que utilizava o encaixe a vácuo obteve menores valores de GPS e de algumas GVS que o grupo “KBM”, entre elas estão a flexão/extensão do quadril MIP e MICL, flexão/extensão do joelho MIP e a flexão/extensão do joelho MICL, que foi a única diferença estatisticamente significante entre os grupos de encaixe. O mesmo grupo teve velocidade da macha maior que o grupo “KBM” e, apesar desta diferença não ter sido significativa, sugere uma maior funcionalidade da marcha com o encaixe a vácuo. Conclusão: Pode-se concluir que os indivíduos que utilizaram encaixe a vácuo apresentaram um padrão de marcha mais funcional e com menores desvios que aqueles que utilizaram encaixe KBM, quando comparados através da GPS, das GVS e dos parâmetros de tempo e espaço.
Introduction: Transtibial amputation is one of the lower limb amputations more often performed. Objective: The aim of this study was to compare, using 3D gait analysis, gait deviations of patients with transtibial amputation, previously trained, using KBM and vacum prosthetic fittings. Methodology: Transtibial amputees that used Kondylen Bettung Münster (KBM) and vacuum prosthetic fitting waived by the Sistema Único de Saúde (SUS) were evaluated. The final sample consisted of 12 participants in the "KBM" group and 5 in the "vacuum" group. They all underwent a physical examination, which consisted of goniometry, muscle strength testing and anthropometric data. They also performed three-dimensional (3D) gait analysis. For this, they were vested with reflexive markers on anatomical and prosthetic corresponding landmarkers according to the Helen Hayes and walked across a 10-m walk-way at their self-selected speed. The capture system consisted of 6 cameras Hawk and the Cortex software version 1.1.4.368 for capturing and editing the trials, both from Motion Analysis Corporation. The Gait Profile Scores (GPS), Gait Variable Score (GVS) and temporal-spatial parameters performed the comparison between the two groups. In addition, we tested the correlation between GPS and GVS and between GPS and temporal-spatial parameters. Results: The two groups had significantly lower gait speed, significantly longer period of support and shorter time of single support than normal. In both groups, GPS and GVS values were higher than normal, but the "KBM" showed greater deviations than the "vacuum". The largest deviations from the KBM group was in the GVS hips flexion / extension, knees flexion / extension and ankle dorsi / plantarflexion MIP and can thus characterize this as the deviation pattern of the Movement Analysis Profile (MAP) for this group. The "vacuum" group had major deviations of the GVS ankles dorsi / platarflexion, knee flexion / extension MIP and pelvic rotation, the deviation pattern of MAP in this group. There were, therefore, different deviation patterns I the two groups. Both groups showed deviations in MICL, which represent the compensation made by this limb to enable a more functional gait with prosthesis. Participants who used vacuum prosthetic fitting showed more a symmetrical gait than participants that used KBM prosthetic fitting. The group that used vacuum prosthetic fitting had lower values of GPS and some GVS than "KBM" group; these include hips flexion / extension, MIP knee flexion / extension and MICL knee flexion / extension, which was the only statistically significant difference between the groups. The same group had greater walking speed than the "KBM" group and, although this difference was not significant, it suggests more functionality of gait with vacuum prosthetic fitting. Conclusion: It can be concluded that individuals who used the vacuum prosthetic fitting showed more functional gait pattern and smaller deviations than those that used KBM prosthetic fitting, compared by GPS, GVS and temporal-spatial parameters.

A ausência de um membro ou parte deste requer a utilização de um dispositivo protésico, de forma a melhorar a qualidade de vida do amputado e reinseri-lo na sociedade. Atualmente os avanços tecnológicos permitem o desenvolvimento de materiais mais sofisticados, com características e propriedades excecionais compósitos de fibras sintéticos e polímeros de alto rendimento. Estes materiais são aplicados em grande escala na indústria protésica, para a produção de componentes das próteses, como o caso do encaixe, o elemento mais importante e que requer maior atenção no processo de confeção. Contudo, o uso excessivo destes materiais acarreta problemas ambientais e socioecónomicos graves.Perante este cenário tão alarmante, é de extrema relevância o estudo de alternativas sustentáveis e acessíveis à população em geral.As tecnologias apropriadas preconizam a utilização dos recursos naturais em prol da comunidade e respeitando as regras de sustentabilidade.Nesse sentido, vão ser estudadas as propriedades de algumas fibras naturais (juta, algodão, sisal e linho), da grude (amido, sacarose, ácido acético) e a sua combinação, formando um compósito verde. Pretendendo-se aplicar esse compósito na confeção de encaixes de próteses transtibiais.

A ausência de um membro ou parte deste requer a utilização de um dispositivo protésico, de forma a melhorar a qualidade de vida do amputado e reinseri-lo na sociedade. Atualmente os avanços tecnológicos permitem o desenvolvimento de materiais mais sofisticados, com características e propriedades excecionais compósitos de fibras sintéticos e polímeros de alto rendimento. Estes materiais são aplicados em grande escala na indústria protésica, para a produção de componentes das próteses, como o caso do encaixe, o elemento mais importante e que requer maior atenção no processo de confeção. Contudo, o uso excessivo destes materiais acarreta problemas ambientais e socioecónomicos graves.Perante este cenário tão alarmante, é de extrema relevância o estudo de alternativas sustentáveis e acessíveis à população em geral.As tecnologias apropriadas preconizam a utilização dos recursos naturais em prol da comunidade e respeitando as regras de sustentabilidade.Nesse sentido, vão ser estudadas as propriedades de algumas fibras naturais (juta, algodão, sisal e linho), da grude (amido, sacarose, ácido acético) e a sua combinação, formando um compósito verde. Pretendendo-se aplicar esse compósito na confeção de encaixes de próteses transtibiais.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores
A loss of a limb can create significant difficulties in the everyday tasks of a person, being worse in more uncommon situations such as running or jumping. This creates problems with people that need to undergo an amputation, taking a toll on their wellbeing. With the tens of millions of amputees in the world and their number increasing every year, the development of prosthetic devices that are able to emulate a human limb becomes a necessity. The development of prostheses has improved over the years, by a considerable amount, however, most prostheses commercially available nowadays, are passive and therefore are not able to provide the necessary amount of energy to recreate proper human gait. To overcome this problem, active powered prostheses are being researched across the world. This thesis focuses on the development of a powered transtibial prosthesis’s controller based on the concept of impedance control. This type of controller tries to recreate the type of control found in humans, where a limb’s output impedance can be altered to allow for a more adaptable motion. The prosthesis was designed to work as a standalone device and use its sensors and a finite state machine to alter the output impedance of the device. The prosthesis’ prototype was designed to be worn by the Darwin-OP humanoid robot, which has a walking gait similar to that of a human. The controller requires the optimization of several parameters. For this task, a genetic algorithm was employed to help determine the controller parameters, as well as the parameters for the Darwin-OP waking motion controller, this one being based on Central Pattern Generators. A comparison between adding or not, a dynamic model of the actuator’s body to the controller, was performed. This comparison provided information about the advantages and disadvantages of using a model on the controller and led to the choice of foregoing the model in the transtibial prosthesis. In the end, the optimization was able to determine the parameters for the prosthesis controller and the simulated Darwin-OP robot, with the device. The humanoid was able to walk forward, albeit at a slower speed than the humanoid without the prosthesis. In regard to the controller itself, it was able to accurately detect the stance and swing phases of the device. Tests of the controller were performed in simulation using Webots™.
A perda de um membro pode criar dificuldades significativas nas tarefas quotidianas de uma pessoa, sendo pior em situações mais incomuns, como correr ou saltar. Isso cria problemas com pessoas que precisam de passar por uma amputação, prejudicando o seu bem-estar. Com as dezenas de milhões de amputados no mundo e este número aumentando a cada ano, o desenvolvimento de dispositivos prostéticos capazes de emular um membro humano torna-se uma necessidade cada vez mais importante. O desenvolvimento de próteses tem melhorado consideravelmente ao longo dos anos, no entanto a maioria das próteses comercialmente disponíveis hoje em dia, são passivas e, portanto, não são capazes de fornecer a quantidade necessária de energia para recriar uma marcha humana adequada. Para superar esse problema, próteses ativas estão sendo pesquisadas em todo o mundo. Esta tese foca-se no desenvolvimento de um controlador de uma prótese transtibial com base no conceito de controlo de impedâncias. Este tipo de controlador tenta recriar o tipo de controlo presente em humanos, onde a impedância de saída de um membro pode ser alterada para permitir um movimento mais adaptável. A prótese foi projetada para funcionar como um dispositivo autónomo e usar os seus sensores e uma máquina de estado para alterar a impedância de saída do dispositivo. O protótipo da prótese foi projetado para ser usado pelo robô humanoide Darwin-OP, que tem uma marcha ambulante semelhante à de um humano. O controlador requer a otimização de vários parâmetros. Para esta tarefa, um algoritmo genético foi empregue para ajudar na determinação dos parâmetros do controlador, bem como a dos parâmetros para o controlador da marcha do Darwin-OP, sendo este baseado num controlador de Geração de Padrões Central. Uma comparação entre adicionar ou não, um modelo dinâmico do corpo do atuador para o controlador, foi realizada. Essa comparação forneceu informações sobre as vantagens e desvantagens do uso de um modelo no controlador e levou à escolha do controlo sem o modelo na prótese transtibial. No final, a otimização foi capaz de determinar os parâmetros para o controlador da prótese e o robô simulado de Darwin-OP, com o dispositivo. O humanoide foi capaz de andar para frente, embora a uma velocidade menor do que o humanoide sem a prótese. Em relação ao controlador, este foi capaz de detetar com precisão as fases de Stance e Swing do dispositivo. Testes ao controlador foram realizados em simulação usando o Webots ™.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.
O objectivo deste trabalho é caracterizar o comportamento mecânico de interfaces de próteses transfemurais e transtibiais, assim como a interacção entre a pele e superfícies texturizadas. No âmbito desta dissertação, foram estudados três tipos materiais aplicados em interfaces de próteses, sujeitos a três períodos de envelhecimento. O envelhecimento químico destes materiais foi realizado embebendo as amostras em suor artificial. Este processo de envelhecimento permitiu caracterizar o comportamento dos materiais ao longo do tempo e após compressão estática e dinâmica. Os resultados estáticos revelam que, as interfaces em estudo, apresentam um comportamento característico de materiais viscoelásticos, uma primeira fase linear e uma segunda fase da curva não linear. Através das curvas tensão-deformação obtidas nos ensaios e análise dos resultados, foram desenvolvidos modelos teóricos que permitem simular o comportamento destes materiais quando solicitados em compressão. Os dados recolhidos no ensaio dinâmico foram abordados inicialmente através do modelo Kelvin-Voigt, sendo posteriormente verificado que o comportamento do amortecedor apenas era visível durante o carregamento do material. Como tal, foi desenvolvido um modelo reológico que representava esse comportamento. Os ensaios de atrito realizados na pele do antebraço demonstraram que a presença de depressões e saliências diminuía significativamente o coeficiente de atrito, quando comparadas com a superfície lisa. Os resultados da interacção entre a pele do antebraço e as texturas das superfícies no ensaio de aderência revelam que, quanto maior a área de contacto entre a pele e o material, maior é a força adesiva. Esta diminui para a superfície com depressões e é inexistente na superfície com saliências devido à diminuição drástica da área de contacto.
The purpose of this study is to characterize the mechanical behavior of transtibial and transfemoral prosthetic liners, as well as the interaction between the skin and texturized surfaces. Within this dissertation, three different materials applied in prosthetic liners, subject to three periods of aging, were studied. The chemical aging of these materials was carried out by soaking the samples in artificial sweat. This aging process allowed the characterization of the behavior of these materials over time and after static and dynamic compression. The static results show that, the liners under study, present typical behavior of viscoelastic materials, a first linear phase and a second stage of the curve non-linear. Through stress-strain curves obtained in the test and by the results analysis, theoretical models have been developed to simulate the behavior of these materials during a compression request. The collected data for the dynamic tests were initially approached through Kelvin- Voigt model and was subsequently verified that the damper behavior was only visible during the loading of the material. As such, a rheological model representing this behavior was developed. The friction tests performed on the forearm skin showed that the presence of depressions and projections decrease significantly the friction coefficient, when compared to the smooth surface. The results from the interaction between the forearm skin and the surfaces textures in the adhesion tests show that the larger the contact area between the skin and the material, the greater the adhesive force. That drops to the surface with depressions and is nonexistent in the projections surface due to the drastic decrease of the contact area.

Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica na Especialidade de Produção e Projeto, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.
Uma prótese tem uma grande importância na vida de qualquer amputado, nomeadamente as transfemurais e transtibiais que permitem que o indivíduo se desloque. Os componentes destes sistemas são produzidos adaptando-os ao nível de mobilidade dos amputados. Esta dissertação estuda um dos componentes: a interface, fundamental para o conforto do amputado por assegurar o contacto entre o membro residual e a prótese. O objetivo desta dissertação é verificar se é possível, num compósito com base em silicone e reforço em cortiça, variar as propriedades mecânicas do material da interface, alterando a concentração e a granulometria das partículas do reforço, de modo a que o material se adapte ao nível de mobilidade dos amputados. Adicionalmente foi realizado um estudo da variação das propriedades mecânicas do material com a fração mássica do agente de cura da matriz de silicone. Foi necessário conceber um novo método de produção para obter o compósito com as partículas de cortiça uniformemente distribuídas no volume das amostras. Para determinar os parâmetros que caraterizam mecanicamente este material procedeu-se à realização de diversos ensaios quer em regime estático (compressão estática e relaxação) quer em regime dinâmico (compressão cíclica e vibração livre). Foi ainda necessário recorrer a uma análise granulométrica para calcular a fração volúmica do reforço, assim como a distribuição dos diâmetros equivalentes das duas granulometrias de cortiça utilizadas. No ensaio de vibração livre recorreu-se a um oscilógrafo que nunca tinha sido utilizado para obter as propriedades mecânicas de um material. A verificação da adequação deste equipamento para este fim foi outro objetivo desta dissertação. O processo experimental concebido para produzir o compósito e a técnica de análise da granulometria foram bem sucedidos. Foi possível concluir que a granulometria das partículas de cortiça, dentro da gama testada, não tem influência nas propriedades mecânicas do compósito. Nos ensaios de compressão estática e de relaxação observou-se uma diminuição da rigidez com o aumento da fração volúmica de cortiça. Os ensaios dinâmicos nada permitiram concluir sobre o efeito da variação da cortiça nas propriedades viscoelásticas do material. Adicionalmente observou-se uma tendência semelhante em todos os ensaios na variação da rigidez com a fração mássica do agente de cura da matriz.
A prosthesis has a big importance in the day-to-day life of any amputee, especially the transfemural and the transtibial which make the individual able to move. The components of these systems are produced in order to adapt to the mobility level of the amputee. In this work one of these components is studied: the interface, most important to the comfort of the amputee, because it provides the contact between the residual limb and the prosthesis. The objective of this study is to verify if it is possible, using a composite with a matrice in silicone and the reinforcement in cork, to adjust the interface material mechanical properties, by changing the fraction and the granulometry of the reinforcements particles, in a way that allows the material to be adapted to the amputee mobility level. Furthermore, a study of the variation of the mechanical properties with the mass fraction of the matrice curing agent was performed. A new method to produce the composite with the cork particles dispersed uniformly in the samples volume was designed. Several tests were carried out in order to obtain the parameters that define this material mechanically: static (static compression and relaxation) and dynamic (cyclic compression and free vibration). A granulometric analysis was needed to determine the reinforcement volume fraction, as well as the equivalent diameters distribution of the two cork granulometries. In the free vibration test the oscillograph was used for the first time to obtain the mechanical properties of a material. Another objective of this work was to assess the suitability of this equipment for this purpose. The experimental procedure designed to produce the composite and the granulometry analysis technique were successful. One conclusion was that the particle size of the cork particles, within the tested range, has no influence in the composite mechanical properties. Another, in the static compression and relaxation tests, was the decrease of the rigidity with the increasing cork volume fraction. The dynamic tests did not allow to reach any conclusion regarding the effect of different cork fractions on the material viscoelasticity properties. In addition, a similar trend in all studies of the stiffness variation with the mass fraction of the matrice curing agent was detected.

Tese de doutoramento em Engenharia Biomédica, apresentada ao Departamento de Física da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
As especificidades dos indivíduos e as características e materiais constituintes de cada componente protésico devem ser consideradas para o sucesso da reabilitação de amputados transtibiais. O interface protésico, pela sua relação direta com a pele do coto e a estrutura rígida da prótese, é um dos componentes mais importantes. As elevadas temperaturas, sudorese e forças mecânicas geradas no contacto com o interface originam frequentemente desconforto, lesões cutâneas e diminuição da qualidade de vida. O objetivo deste trabalho consistiu no estudo das propriedades mais relevantes de interfaces de próteses transtibiais e sua influência na marcha e perceção individual de dor e conforto, bem como do sistema interface/prótese, de sujeitos com amputação. Para isso, foram selecionadas amostras de interfaces comerciais representativos dos materiais elastoméricos comummente utilizados e estas foram sujeitas a um estudo de caracterização abrangente. Os materiais selecionados foram: copolímero de blocos (I), gel de silicone (II) e elastómero de silicone (III). Foi realizada uma caracterização fundamental onde as propriedades químicas e físico-estruturais dos materiais, que não eram totalmente conhecidas foram avaliadas. Os materiais foram também caracterizados funcionalmente, considerando as suas condições de utilização, em termos térmicos e mecânicos. Por fim, o comportamento biomecânico dos materiais foi testado em amputados transtibiais durante um percurso de marcha e foram registadas informações sobre a sua perceção individual da prótese, da dor e do conforto relativamente a cada interface. Os materiais foram ainda sujeitos a um processo acelerado de envelhecimento, em suor humano sintético (90 dias), e caracterizados fundamental e funcionalmente com o objetivo de conhecer a estabilidade destes materiais com a utilização em contacto direto com a pele. Concluiu-se que os materiais não sofreram alterações significativas. No entanto, o material III mostrou ser o mais sensível a este processo, tendo-se observado uma ligeira amorfização na rede de silicone e um ligeiro aumento de rigidez. Dos resultados obtidos verificou-se que na estrutura química do material I prevalecem os blocos derivados de alcenos, enquanto os materiais II e III são semelhantes e com estrutura à base de ligações siloxano e grupos metilo. Todos os materiais são hidrofóbicos, de estrutura amorfa e termicamente estáveis na gama de temperaturas de serviço. O material II apresentou valores superiores de condutividade térmica, no entanto foi o material que apresentou maior rigidez e menor atrito e adesão. Este material foi percecionado pelos sujeitos como sendo o pior durante a utilização. Contrariamente, o material III foi o material que apresentou maior capacidade de dissipação de energia mecânica, maior atrito e adesão, tendo sido percecionado pelos sujeitos como o que proporciona melhor sensação/sensibilidade de temperatura e textura e menor diminuição de conforto. Concluiu-se assim que a perceção dos sujeitos se deve sobretudo a diferenças nas propriedades mecânicas dos interfaces e não na sua condutividade térmica (nas gamas de variação testadas). Comprovada a influência das propriedades do material na perceção dos sujeitos, considera-se que a prescrição dos interfaces do material I, pelas suas propriedades mecânicas (rigidez semelhante e menor capacidade de dissipação de energia comparativamente com o material III), deve ser repensada de forma a também incluir sujeitos com níveis de atividade menores (K1-K2). Já o material II só deve ser prescrito para situações de utilização pontual. Os interfaces do material III mostraram características adequadas aos níveis de atividade para os quais estão recomendados (K1-K2). As conclusões deste trabalho devem ser consideradas como guidelines de apoio à prescrição de interfaces protésicos aportando evidência científica à adequada protetização. Tendo-se confirmado que atualmente existe uma estagnação no desenvolvimento de novos de interfaces protésicos, pretendeu-se ainda com este trabalho estudar estratégias de desenvolvimento de novos interfaces à luz de conhecimentos e tecnologias já existentes noutras áreas do conhecimento. Sintetizaram-se assim dois compósitos com matriz de silicone e aditivo de nanotubos de carbono e cortiça, cujos objetivos essenciais foram aumentar a condutividade térmica, melhorar o comportamento mecânico e verificar a viabilidade dos interfaces serem confecionados individualmente com base nas características específicas de cada sujeito (à semelhança de outros componentes). Concluiu-se que as estratégias estudadas são viáveis para a aplicação pretendida, contudo necessitam de investigação mais aprofundada. Futuramente, poderão ser desenvolvidos estudos longitudinais sobre interfaces, em articulação com entidades prescritoras, de forma a avaliar a adequação dos K-levels na prescrição e proporcionar um contributo efetivo para a melhoria da qualidade de vida de sujeitos com amputação.
Individual’s specificities and the characteristics of the materials used in the components of the prosthesis must be considered for the success of the transtibial amputee’s rehabilitation process. The prosthetic interface, due its direct relationship with the stump skin and the rigid structure of the prosthesis, is one of the most important components. High temperatures, sweating and mechanical forces generated during gait often cause discomfort, cutaneous lesions and low quality of life. The aim of this work was to study the transtibial prosthesis interfaces characteristics and their influence on amputee’s gait and perception regarding pain, comfort and the interface/prosthesis system. For this purpose, commercial samples of interfaces, representative of the elastomeric materials most used, were selected and submitted to a comprehensive characterization study. The selected materials were: block copolymer (I), silicone gel (II) and silicone elastomer (III). A fundamental characterization was carried out, where the materials chemical and physical/structural properties that were not fully known, were investigated. Due their conditions of use, a functional characterization of the materials was carried out at the thermal and mechanical levels. Finally, the biomechanical behaviour of the materials was tested in transtibial amputees, during a gait path and information about their individual perception on the prosthesis, pain and comfort, concerning each interface, was recorded. The materials were artificial aged in synthetic human sweat (during 90 days), and also fundamentally and functionally characterized. This accelerated aging had the main objective of knowing the materials stability with the use in direct contact with the skin. It was concluded that the materials did not change significantly. However, material III showed to be the most sensitive to this process, having suffered a slight amorphization of the silicone network and a slight increase in stiffness. The obtained results indicated the prevalence of alkene-derived blocks in the chemical structure of material I, while materials II and III structure is based on siloxane bonds and methyl groups. All materials are hydrophobic, with amorphous structure, and are thermally stable in the service temperature range. Material II presented higher thermal conductivity values, however it was the material that presented higher stiffness and lower coefficient of friction and adhesion. This material was perceived by the subjects as being the worst during the use. Otherwise, material III showed the higher mechanical energy dissipation and the higher coefficient of friction and adhesion, being recognized by the amputees as the material that provides the best sensation/sensitivity of temperature and texture and lower decrease of comfort. Thus,it was concluded that the subject’s perception is mainly due to the mechanical properties of the interfaces and not their thermal conductivity (in the tested variation range). The material properties influence on the subject’s perception has been demonstrated. As result, it is considered that the prescription of material I, due its mechanical properties (similar stiffness and lower capacity of energy dissipation when compared to material III), should be rethought to include also subjects with lower activity levels (K1-K2). On the other hand, material II should only be prescribed for situations of non-daily use. The interfaces of material III showed characteristics suitable for the activity levels for which they are recommended (K1-K2). The conclusions of this work provide some interfaces’ prescription guidelines, giving scientific evidence to support a correct prosthetization. There has been a lack of progress in the development of new prosthetic interfaces, thus in this work, the study of strategies to develop new interfaces was also an objective. Based in other areas of knowledge and existing technologies, two composites with polydimethylsiloxane matrix and with carbon nanotubes and cork as additives were prepared. The purpose was to increase thermal conductivity, improve the mechanical behaviour and study the viability of a fabrication process of interfaces based on subject’s characteristics (like for other prosthetic components). It was concluded that the used approaches have viability for this application, however further research is needed. In the future, a longitudinal study on interfaces with collaboration of prescribing entities could be developed in order to evaluate the suitability of K-levels for the prescription and to provide an effective contribution to promote an improvement of the amputee subject’s quality of life.