Stratasys Blog

Transformando a ortopedia com a impressão 3D e a indústria 4.0

Por Andrew Hanson, engenheiro de aplicações da Stratasys e Scott Rader, gerente geral de soluções médicas da Stratasys

Traditional ankle-foot orthotic
Órtese tradicional tornozelo-pé 

As órteses, frequentemente chamadas de ortóteses, são dispositivos passivos usados por pessoas para auxiliar em uma lesão ou em uma parte debilitada do corpo. Enquanto muitas pessoas estão familiarizadas com o uso temporário de aparelhos ortopédicos após uma lesão, uma quantidade significativa de órteses são usadas para tratamentos de longo prazo de várias doenças. Estas doenças incluem gota devido à fraqueza muscular ou dano neural causado por um acidente vascular cerebral, esclerose múltipla, lesões de nervos periféricos e outras doença. As órteses também são utilizadas para auxiliar na estabilização de uma articulação com osteoartrite e para corrigir deformações nas articulações.

Com o envelhecimento da população em todo o mundo, o número de pessoas que utilizam órteses têm crescido significativamente nas últimas três décadas. As projeções indicam que 7,3 milhões de pessoas nos Estados Unidos irão utilizar órteses para combater os efeitos de paralisia, deformidade ou limitações ortopédicas até 2020.

Mas se por um lado a demanda vem crescendo, por outro as técnicas de manufatura não vem acompanhado nas últimas décadas.

 

Equipe CYBER revoluciona a ortopedia com a indústria 4.0

Universidade de Michigan formou uma parceria com a Altair Engineering e a Stratasys para criar a equipe CYBER. Esta equipe foi recentemente selecionada e financiada pela America Makes (o Instituto Nacional de Inovação em Manufatura Aditiva) para trabalhar em uma solução que irá alavancar a impressão 3D e a Indústria 4.0 para transformar o desenho, o conforto, a utilidade e a personalização das Órteses para Tornozelo e Pé (AFO). Esta solução irá incorporar o desenho digital, a manufatura aditiva por meio da impressão 3D e alavancar os líderes da indústria no Centro de Órteses e Próteses da Universidade de Michigan, para atender a crescente tendência da Indústria 4.0.

Para alcançar isso, a equipe CYBER irá criar um fluxo de trabalho digital para o desenho da manufatura aditiva (MA), enquanto conecta a rosca digital em um sistema físico cibernético baseado na nuvem que irá conectar a tecnologia de manufatura aditiva de modelagem por fusão e deposição de material (FDM®) e o software Altair® OptiStruct®  para a produção de órteses de tornozelo e pé (AFO) personalizadas.

O problema atual da manufatura de órteses para tornozelo e pé

O processo tradicional para produzir uma AFO personalizada para um paciente, utiliza ortopedistas e técnicos especializados para obter uma “impressão” da parte de baixo da perna do indivíduo com uma fita em fibra de vidro para molde (veja imagem A e B abaixo); (C) despejar gesso líquido nesta impressão para criar um modelo positivo; (D) modificar manualmente o modelo em gesso para considerar as proeminências ósseas, bem como áreas tolerantes à pressão (E) aspirar formando uma folha de termoplástico em torno do modelo; (F) aparar manualmente a órtese plástica para a forma final e, em seguida, adicionar qualquer acolchoamento e fitas necessárias antes de colocar a AFO no paciente1.

Traditional process for making custom ankle-foot orthotics
Processo tradicional para produzir uma órtese de tornozelo-pé personalizada

As dificuldades deste processo começam com o tempo normal de entrega de duas a quatro semanas, devido à necessidade de mão de obra qualificada, processos de autorização da seguradora e a demanda de muitos pacientes que necessitam deste atendimento nos centros ortopédicos. O processo utiliza uma quantidade significativa de materiais de gesso descartáveis, possui capacidade limitada para aperfeiçoar a estrutura ou o peso devido a uma espessura constante da folha em toda a órtese e não incorpora técnicas de análise modernas, que garantem a otimização da rigidez e flexibilidade da AFO para proporcionar a máxima mobilidade de um paciente.

“Enquanto as AFOs personalizadas sempre foram produzidas com a forma personalizada de um paciente, a manufatura aditiva oferece melhores condições para uma personalização real de fabricação de uma AFO. A possibilidade de ajustar linhas de corte e alterar o tipo ou espessura do plástico tem proporcionado algumas opções básicas de ajuste da flexibilidade de uma AFO”, disse Jeff Wensman, BSME, CPO, diretor técnico/clínico do Centro de Órteses e Próteses da Universidade de Michigan. “Mas a manufatura aditiva e especificamente a equipe CYBER, está criando um processo para realmente projetar e produzir uma AFO para um paciente específico. Diferentes quantidades ou tipos de materiais podem ser impressos para proporcionar uma rigidez específica e permitir partes flexíveis, com base na apresentação do paciente. Esta emocionante tecnologia abre totalmente uma nova caixa de ferramentas na qual o médico pode utilizar para melhorar os resultados dos pacientes.”

A Solução CYBER: tornando real a indústria 4.0 na manufatura de órtese de tornozelo e pé

Stress loading and concentration analysis will allow for AFO part optimization, tailored for individual patient prescriptions
Análise de carga de stress e concentração permitirá o aperfeiçoamento da peça AFO, feita sob medida para prescrições de pacientes individuais. 

A equipe CYBER se reuniu para tratar diretamente estes problemas que afetam os pacientes e acompanhantes, enquanto acelera e reduz o custo de produção da órtese de tornozelo e pé.

Esse futuro sistema físico cibernético baseado na nuvem vai permitir aos médicos criarem órtese de tornozelo e pé utilizando um portal online, combinando a experiência clínica com ferramentas automatizadas para criar a prescrição do paciente. O sistema físico cibernético projetado fornece a perfeita integração dos algoritmos baseados na nuvem com a fabricação do componente físico para aperfeiçoar a geometria geral da peça e sua correspondente ferramenta.

As vantagens da solução de manufatura aditiva para órtese de tornozelo e pé são convincentes:

  • Reduz o longo tempo de entrega: Tempo normal de entrega é de 2 a 4 semanas para a AFO. A equipe planeja reduzir este tempo de entrega para 1 dia com o sistema físico cibernético.
  • Melhora a precisão: O gesso encolhe após a secagem, de modo que moldes de gesso não reproduzem com precisão a forma do tornozelo e pé do paciente sem iterações ou a habilidade de um ortopedista certificado. A equipe pretende utilizar a digitalização tridimensional precisa para fornecer dimensões exatas instantaneamente e precisão exata da AFO, enquanto utiliza o desenho para técnicas de compensação da manufatura aditiva.
  • Elimina múltiplas visitas: Isso é desgastante para os usuários e profissionais de saúde e gera custo. A equipe pretende melhorar o processo de manufatura para prestar atendimento ao paciente em uma única visita.
  • Melhora a liberdade de desenho: As formas da AFO são limitadas pelas práticas de manufatura atuais, que não pode fabricar órteses que exijam desenhos mais complexos e funcionais.

A equipe planeja permitir o aperfeiçoamento baseado no modelo computacional e no caminho ferramental para direcionar o futuro desenho da AFO, enquanto incentiva a contribuição médica para proporcionar atendimento personalizado. A idade média de um usuário de um dispositivo ortopédico inferior é de 70 anos de idade; leveza e facilidade de uso são fundamentais neste projeto.

Claro, ninguém possui, adequadamente, todo o conhecimento necessário para operar o fluxo de trabalho atual necessário para atender este sistema físico cibernético. Engenheiros, como os da Stratasys e Altair, juntamente com os médicos dos centros de órteses e próteses, são as únicas pessoas com conhecimento suficiente para executar cada tarefa específica. Entre vários tipos de arquivos, a criação de arquivos estruturais e de caminho ferramental de aperfeiçoamento, projeto de fabricação aditiva e as melhores práticas de órteses, a quantidade de análise computacional manual é assustadora. Somando-se os conhecimentos necessários, o fluxo de trabalho atual de fabricação aditiva apresenta desvantagens:

  • Rendimento da máquina: As tecnologias de manufatura aditiva atuais não fornecem o alto rendimento necessário para permitir a visita de um dia para a órtese de tornozelo-pé. Uma nova metodologia de desenho é necessária para aumentar o rendimento e diminuir o uso de material, enquanto mantém a integridade e funcionalidade estrutural.
  • Múltiplos materiais: Tanto o material rígido para a funcionalidade estrutural quanto um material macio para uma interface confortável são necessários em uma órtese personalizada.
  • Falta de interface clínica e integração de sistema: Não existe um software que pode processar, de maneira transparente, todos os dados geométricos de uma imagem 3D de um paciente para formatar a órtese e gerar um arquivo de comando imprimível.

Os militares veteranos podem ser os primeiros a se beneficiar

Alinhado com o compromisso da equipe com os militares veteranos e suas famílias, a US Veterans Administration (VA) (Administração dos Veteranos dos EUA) em Ann Arbor, Michigan, será uma das primeiras parceiras a receber esta solução com o objetivo de implantá-la nos Centros de Órteses e Próteses da VA em todo o país, assim que o teste estiver concluído. De 2005 a 2009, o gasto anual da VA em itens relacionados à Órteses e Próteses (O&P) aumentou cerca de 80%, de $907 mi para $1,6 bi. Cerca de 1,5 milhões de órteses foram fornecidas a veteranos em 2009. Estes números continuam a crescer, um vez que o número de inscrições nos Centro de Saúde da VA aumenta com o envelhecimento da população geral. Como concluído no estudo da Associação Americana de Órtese Protética (AOPA), a economia com cuidados médicos poderia ser de $1,3 bi por ano até 2020 com a implantação completa desta solução na rede VA.2

The Cyber-Physical System workflow
O Fluxo de trabalho do sistema Físico-Cibernético

A equipe CYBER acredita que o desenho baseado na nuvem e as tecnologias de manufatura aditiva trazem a oportunidade de melhorar o cuidado dos profissionais de saúde com os pacientes, com o objetivo de conseguir uma “Visita de Um Dia”, na qual os pacientes podem visitar a clínica e sair andando com sua órtese personalizada no mesmo dia. Integrar a manufatura aditiva na assistência de órteses e próteses para os pacientes é uma oportunidade para a comunidade manufatureira produzir um impacto positivo na Saúde; Espera-se que o sucesso deste projeto torne o processo de manufatura mais eficiente e confiável, de modo que os serviços de órteses e próteses possam ser mais acessíveis às pessoas que dela necessitam, economizando as despesas com os cuidados médicos da VA.

A prova de conceito deste projeto está programado para ser finalizado em 2017.

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Agradecimento:

Este material é baseado em uma pesquisa patrocinada pelo Laboratório de Pesquisa da Força Aérea sob o acordo número FA8650-12-2-7230. O Governo dos EUA está autorizado a reproduzir e distribuir reproduções para fins Governamentais apesar das eventuais notações de direitos autorais.

Aviso Legal:

As opiniões e conclusões contidas neste documento são de responsabilidade dos autores e não devem ser interpretadas como representando necessariamente as políticas ou confirmações oficiais, expressa ou implícita, do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea ou do Governo dos EUA.

  1. Órteses de tornozelo-pé específicas para o paciente usando prototipagem rápida, Mavroidis et al., Janeiro 2011. Link: http://jneuroengrehab.biomedcentral.com/articles/10.1186/1743-0003-8-1
    2. Dados disponíveis em http://mobilitysaves.org/

Este post também está disponível em: Inglês

Craig Librett

Craig Librett

A 25+-year industry veteran, Craig has written extensively about all aspects of the technology industry. As Senior Public Relations Manager for Stratasys, he is particularly well-versed at communicating the impact of Additive Manufacturing across a broad range of industries. Craig is a graduate of Boston University, with an MBA from Northeastern University.

2 comments

  • meus parabéns, muito interessante este trabalho. Tenho um projeto em curso semelhante, mas com foco em palmilhas e reabilitação em pacientes com amputações parciais dos pés.
    Acredito que esse seja o caminho, sigam em frente.
    Abraço
    Israel de Toledo (podologista e Ortesista)

    • Boa tarde Israel,
      Obrigado por seu comentário. É muito importante para nós saber que a tecnologia está sendo amplamente aplicada na área da saúde, ajudando a melhorar a qualidade de vida das pessoas.
      Se precisar de informações, entre em contato com a gente.
      Abraços
      Erica Massini
      erica.massini@stratasys.com

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