Produção de Órteses Personalizadas com Manufatura Aditiva

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13º Congresso Ibero-americano de Engenharia Mecânica 
13º Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica 
Lisboa, Portugal, 23-26 de Outubro de 2017 
 
 
 
 
PRODUÇÃO DE ÓRTESES PERSONALIZADAS COM BAIXO CUSTO ATRAVÉS DAS 
TECNOLOGIAS ENGENHARIA REVERSA E MANUFATURA ADITIVA 
 
Marcelo Augusto Rozan dos Santos
1 
e Ruís Camargo Tokimatsu
2
. 
 
1. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, Ilha Solteira-SP, 
Brasil, email: marcelorozan@gmail.com 
2. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, Ilha Solteira-SP, 
Brasil, email: ruisctok@gmail.com 
 
Resumo 
 
Na área da ortopedia, a busca por novos avanços tecnológicos para o desenvolvimento de órteses 
personalizadas com um custo acessível, tem sido grande. A maior parte da população que possui 
patologias, sofre por não ter renda suficiente para adquirir esses dispositivos e acabam agravando 
essas patologias. Este projeto busca inovar e propor a utilização de novas tecnologias para 
desenvolver órteses a essa população com um custo mínimo e assim, implementá-las na rede 
pública. Através das análises feitas pelos profissionais ortopedistas e terapeutas usando imagens 
bidimensionais dos exames dos pacientes consultados, será possível digitalizar o membro afetado 
ou posicioná-los de forma adequada para que seja tirado o molde da órtese personalizada utilizando 
as técnicas de Engenharia Reversa. Esses aparelhos permitem coletar dados dos exames já feitos 
como Ultrassom, Ressonância Magnética, Tomografia, entre outros e convertê-los em modelos 
tridimensionais. O objetivo deste projeto é utilizar a Engenharia Reversa para digitalizar o membro 
que necessite de auxílio e confeccionar as órteses com a tecnologia de Manufatura Aditiva, uma 
tecnologia que vem se desenvolvendo rapidamente nesses últimos anos e permitindo fabricar 
diretamente qualquer peça ou objeto através de um arquivo tridimensional modelado. Nos dias 
atuais, a Manufatura Aditiva tem sido utilizada em diversas áreas como Arquitetura, Design, 
Engenharia Mecânica, Medicina, entre outros. Este projeto resultou na criação de dois protótipos de 
órteses com a função de imobilizar os membros inferior e superior, sendo o primeiro utilizando as 
técnicas de Engenharia Reversa Tempo de Voo que digitalizou o membro a partir de um dispositivo 
de jogos chamado Kinect One e o segundo utilizando a técnica Transmissivo, que utilizou um 
exame de Tomografia Computadorizada para digitalizar o membro. A partir destas duas técnicas, 
foram criados dois modelos tridimensionais para assim serem manufaturados na impressora 3D 
através da técnica de Modelagem por Fusão e Deposição de material. 
 
Palavras chave: Engenharia Reversa. Órteses. Imobilizadores ortopédicos. Manufatura Aditiva. 
Impressão 3D. 
 
 
 
XIII CIBEM – 2017 Lisboa 
1. Introdução 
 
A procura por produtos de qualidade e altamente 
competitivo pelas empresas tem sido constante, 
para suprir as necessidades dos clientes essas 
empresas vêm investindo em novas tecnologias e a 
Engenharia Reversa (ER) é uma delas. A ER é uma 
das tecnologias que reduz os ciclos de produção no 
desenvolvimento dos produtos [1] [2]. 
Na área de ortopedia dos hospitais municipais os 
dispositivos ortopédicos continuam sendo 
fabricados com tecnologia desenvolvida a muitos 
anos, continuam utilizando o gesso devido ser um 
material de baixo custo e não se preocupam com o 
conforto que o paciente precisa, o bem-estar, entre 
outros. Esses tipos de dispositivos feitos em gesso 
têm características de imobilizadores pesados, 
causam problemas na pele devido não terem 
aberturas para ventilação, impossibilitando de 
higienizar o dispositivo devido não suportar o 
contato com a água, causam desconforto no 
paciente por não serem personalizados. 
Dependendo da patologia esse tipo de dispositivo 
pode ser utilizado por um longo tempo. 
Pelo processo de adição, na década de 1980, surgiu 
uma nova forma de produção de produto utilizando 
fusão de camadas planas. Hoje esta técnica é 
conhecida como Manufatura Aditiva (MA). A MA 
possibilita a fabricação de objetos, moldes, peças 
com geometrias complexas ou simples utilizando 
como referência apenas um modelo construído 
tridimensionalmente [3]. Como objetivo, esta 
pesquisa produzirá órteses personalizadas 
utilizando a MA e ER para ter um produto de 
forma ligeira, funcional, prática, com custo baixo e 
resistência mecânica. Eliminará os problemas 
como o peso da órtese convencional feita em 
gesso, ter um imobilizador personalizado evitando 
desconforto, possuirá um design aonde a 
ventilação possa ter contato com a superfície do 
membro evitando doenças de pele, entre outros. 
 
2. Órteses 
 
A palavra órteses deriva do grego, cujos termos 
tiheme e orthos significam correção e colocação. 
As finalidades das órteses são de auxiliar e 
proporcionar melhoria aos pacientes podendo ser 
internamente ou externamente ao segmento 
corpóreo aos pacientes que necessitem de 
disfunção ou suportes [4]. A órtese pode corrigir os 
movimentos e postura, determinar movimentos até 
um certo ponto e imobilizar parcial ou totalmente 
os movimentos da região afetada. As órteses são 
classificadas como estáticas ou dinâmicas. Para as 
necessidades de correção de um membro com 
problema, ou proporcionar repouso, proteção ou 
imobilização a órtese estática é a indicada, no 
entanto quando é necessário permitir a 
movimentações articulares, ou permitir o 
movimento até um determinado ponto é indicado a 
órtese dinâmica [5]. 
As fabricações das órteses podem serem pré-
fabricadas, pré-fabricadas ajustáveis ou 
confeccionadas sob medida. Os modelos 
encontrados prontos em prateleiras nas lojas 
ortopédicas são as pré-fabricadas. Quando for 
necessário que o profissional precise ajustar as 
órteses elas são consideradas pré-fabricadas 
ajustáveis. Os modelos feitos sob medida podem 
ser ajustados antes ou durante o tratamento e se 
adequam melhor ao paciente lhe proporcionando 
um maior conforto. A desvantagem é o seu custo 
mais elevado por ser feita especialmente ao 
paciente. Os dispositivos utilizados para os 
membros superiores são conhecidos como splints. 
A órteses, splints ou férula são dispositivos que se 
aplicam aos membros superiores ou inferiores para 
determinada funções [6]. 
As órteses para membros superiores possuem 
vários tipos, abaixo segue alguns exemplos: 
 
 Tirante clavicular ou tirante axilar em oito; 
 Tipoias; 
 Órteses para estabilização de fraturas; 
 Órteses estática para cotovelos; 
 Órteses articulada para cotovelo; 
 Tirante proximal de antebraço; 
 Órtese para punho; 
 Órtese para punho e polegar; 
 Órtese para repouso (punho/mão/dedo); 
 Órtese para os metacarpos; 
 Órtese para dedos; 
 Órtese dinâmicas. 
 
As órteses para membros inferiores são utilizadas 
para pacientes com sequelas neurológicas e 
ortopédicas ou posicionamento articular. Algumas 
dessas órteses apresentam articulações de joelho, 
quadril, tornozelo e pé. As órteses para membros 
inferiores podem ser classificadas como órteses 
longas KAFOs e HKAFOSs, órteses curtas AFOSs 
e Órteses de Reciprocação (RGOs) que são órteses 
com função de auxiliar na qualidade da marcha 
para os membros inferiores diminuindo os gastos 
de energia e contribuindo uma maior velocidade. 
Um AFO é prescrito para dar estabilidade médio 
lateral na posição fase do tornozelo, assim 
apoiando o tornozelo e facilitando sua marcha na 
fase de balanço [7]. 
 
3. Engenharia Reversa 
 
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Hoje no mercado atual podemos dividir a 
Engenharia em dois processos, o primeiro é o 
processo convencional feito por desenhos, 
documentos elaborados por ferramentas Computer-
Aided Design (CAD), um modelo físico. 
O segundo processo é a Engenharia Reversa, um 
método de duplicação de um modelo existente 
através de uma digitalização 3D, em que um 
processo de varredura da geometria é feito e 
convertido tridimensionalmenteem um arquivo 
onde possa ser manipulado e redesenhado [8][2]. A 
ER transforma em engenharia modelos e conceitos. 
A Figura 01 ilustra a sequência básica das fases 
utilizadas para engenharia reversa [9]. 
 
 
Figura 1: Fases de ER para geometrias. Adaptado de [9] 
 
O processo de ER passa por três fases, a 
digitalização, processamento de pontos e aplicação 
[1]. 
 
4. Manufatura Aditiva 
 
A Manufatura Aditiva possui diversas tecnologias 
de fabricação por adição de material e essas 
tecnologias possuem em comum o princípio de 
fabricar os produtos por camadas. Existem 
aproximadamente mais de 20 sistemas de MA [10]. 
Os objetos são construídos de forma livre, mesmo 
possuindo sua geometria simples ou complexa, 
eliminando as ferramentas de molde [11]. Os 
processos de MA são baseados em Líquidos, 
Sólidos e Pós. 
 
4.1. Modelagem por fusão e deposição 
 
A técnica de Modelagem por Fusão e Deposição é 
feita através de filamentos termoplásticos que se 
encontram no estado sólido e ficam enrolados em 
uma bobina. A movimentação deste bico é no 
sentido “X - Z” da coordenada e o material é 
aquecido em um bico de extrusão e depositado em 
uma mesa ou plataforma de construção assim 
chamada, possuindo o movimento em “Y”. Inicia-
se assim, a impressão por deposição de material 
fundido termicamente e vai injetando camada por 
camada até formar o objeto final. Dependendo do 
formato da impressora os eixos XYZ podem variar, 
porém a forma de injeção não altera. A plataforma 
de construção, no caso a mesa, também pode ser 
aquecida ou mantida a frio; o que determina essa 
temperatura é o tipo de matéria-prima escolhida 
para fusão [5]. A Figura 2 ilustra o filamento se 
movendo do rolo e passando pelo cabeçote seguido 
pelo bico extrusor já aquecido. Desta forma o 
material da peça é depositado na plataforma 
formando as camadas [10]. 
 
 
Figura 2: Princípio de MA Modelagem por Fusão e Deposição 
[10] 
 
5. Materiais e Métodos 
 
Serão criadas duas órteses estáticas a primeira para 
imobilizar o membro inferior utilizando a ER 
transmissão que é obtido por exames de 
Tomografia Computadorizada. Através do 
programa livre conhecido como InVesalius as 
imagens Digital Imaging and Communications in 
Medicine (DICOM) serão importadas para que o 
modelo tridimensional do membro seja 
reconstruído. 
A segunda órtese será produzida para o membro 
superior. A técnica para digitalização do membro 
será feita pela ER tempo de voô, esse tipo de 
digitalização é feito por um dispositivo de jogo 
utilizado para controlar movimentos no aparelho 
Xbox one desenvolvido pela empresa Microsoft 
Corporation, o nome desse dispositivo é o Kinect 
one. Para ajustes necessários e divisão das órteses 
para impressão será utilizado o programa 3D 
Builder e para a criação e modelagem das órteses, 
para limpeza de artefatos será utilizado o programa 
livre Meshmixer desenvolvido pela empresa 
Autodesk. Para a MA das órteses será utilizada a 
impressora 3D Prusa I3 que utiliza a técnica de 
Modelagem por Fusão e Deposição montada para 
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as impressões dos protótipos conforme ilustra a 
Figura 3. 
 
Figura 3: Impressora 3D utilizada na impressão das órteses 
 
Todos os processos desenvolvidos nesta 
metodologia foram feitos em um Notebook da 
Marca Dell, modelo Inspiron 15R 7520 
SpecialEdition. Esta máquina possui tela FullHD 
(1080p) de 15,6”, seu processador é Intel® Core™ 
i7 - 3612QM CPU @ 2.10GHz - 3 Geração dos 
Processadores Intel. Sua memória é de 8gb, e seu 
HD possui 1Terabyte de armazenamento, sua placa 
de vídeo é dedicada AMD Handeon HD7730M 
com 2048Mb. O sistema Operacional é Windows 
10 PRO. 
 
6. Resultados e Discussões 
 
Na produção da órtese para o membro inferior, o 
desenvolvimento surgiu a partir da importação das 
imagens DICOM do membro afetado, o programa 
gerou uma visualização multiplanar do exame 
indicando três vistas sendo uma fatia axial 
localizada na parte superior à esquerda, uma fatia 
coronal localizada na parte inferior à esquerda e 
outra sagital localizada superior à direita. Uma 
quarta visualização no canto inferior à direita é o 
volume em que o programa gera tridimensional o 
modelo que foi captado pelo exame conforme 
ilustra a Figura 4. 
 
 
Figura 4: Imagens DICOM importadas para o InVesalius 
Após o volume de superfície ser construído, ele foi 
exportado em arquivo tridimensional para ser 
modelado a órtese personalizada, o qual permitirá 
que os softwares CAD construam e façam os 
devidos ajustes. A figura 5 ilustra o volume 
tridimensional pronto no programa InVesalius. 
 
 
Figura 5: Reconstrução tridimensional do membro inferior 
 
A partir do modelo tridimensional pronto foi 
modelado a órtese personalizada no programa 
Meshmixer. O design em forma de colmeia feito 
na órtese permite que o membro inferior possa ter 
ventilação e proporcionando uma resistência 
mecânica maior. Também foi analisado 
tridimensionalmente o encaixe e ajustes necessário 
entre órtese e membro, assim deixando tudo pronto 
para MA, conforme Figura 6. 
 
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Figura 6: Análise da órtese modelada com o membro inferior 
 
Na produção da órtese para o membro superior, foi 
utilizado a técnica de ER tempo de voo, que 
utilizou o dispositivo Kinect one para digitalizar a 
superfície dos dedos, mão, punho e antebraço. A 
Figura 7 ilustra a digitalização feita pela técnica e 
o resultado importado para o programa 3D Builder. 
 
 
Figura 7: Digitalização pelo dispositivo Kinect one 
 
A forma de modelagem para a órtese superior foi a 
mesma utilizada anteriormente, sendo importado o 
arquivo tridimensional para o programa 
Meshmixer e a partir deste arquivo a modelagem 
da órtese estática para o membro superior foi 
elaborada. Os parâmetros considerados na 
modelagem da órtese para o membro superior 
também levaram o design em colmeias para 
permitir a ventilação e possuir uma resistência 
mecânica. Pode-se observar na Figura 8, que o 
punho se encaixa no modelo, e a função da órtese 
estática para evitar a mobilidade da articulação da 
mão ficou apropriada para o membro. Desta forma 
os dedos têm suas articulações livres. 
 
 
Figura 8: Análise da órtese modelada com o membro superior 
 
Como resultado deste projeto a produção de uma 
órtese estática para imobilizar o membro inferior 
apresentou características satisfatórias. Utilizando 
a técnica de ER transmissivo o membro foi 
digitalizado e depois fabricada pela MA como 
ilustra a Figura 9. 
 
 
Figura 9: Imobilizador ortopédico inferior concluído 
 
O resultado impresso pela impressora 3D da órtese 
para o membro superior também atingiu os 
objetivos específicos. A técnica de ER tempo de 
voo, permitiu digitalizar rapidamente o membro 
superior eliminando qualquer tipo de molde na 
criação de uma órtese personalizada. No caso da 
Figura 10 foi implantado na órtese um sistema de 
trava para dar mobilidade em remover o 
dispositivo quando necessário. Esses sistemas de 
fixação podem variar desde um tipo de bucha para 
travar e permitir que a órtese não seja removida 
durante todo tempo de tratamento ou dependendo o 
caso, podendo ser removível, fixando com 
parafusos ou pinos. 
 
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Figura 10: Imobilizador ortopédico superior concluído 
 
7. Conclusão 
 
Conclui-se que é possível utilizar as técnicas de ER 
e MA na confecção de órteses personalizadas, 
utilizando os próprios exames de Tomografia 
Computadorizada e Ressonância Magnética feitas 
no hospital. Para casos mais simples, com um 
dispositivo de tempo de voô, rapidamente pode-se 
coletar a superfície de um membro afetado e 
convertê-lo em um arquivo tridimensional para o 
desenvolvimento da órtese. A MA agiliza muito no 
processo de fabricação por camada, criando 
geometrias simples ou complexas. Nos dias atuais 
com tantas máquinas avançadas é possível obter 
uma órtese personalizada e até mesmo com um 
design apropriado, podendo inserir desenhos ou 
detalhes pessoais de cada paciente.O mercado 
possui diversos tipos de matérias-primas como 
ABS, PLA e até mesmo materiais Flexível como o 
Nylon, permitindo assim trabalhar com materiais 
mais baratos e com diversas características 
funcionais. 
 
Referências 
[1]Raja, Vinesh, and Kiran J. Fernandes, Reverse 
engineering: an industrial perspective, Springer 
Science & Business Media, 2007. 
[2]Sokovic, Mirko, and J. Kopac, "RE (reverse 
engineering) as necessary phase by rapid 
product development", Journal of Materials 
Processing Technology 175.1:398-403, 2006. 
[3]Ahrens, Carlos Henrique, et al, "Prototipagem 
rápida: tecnologias e aplicações", Edgard 
Blucher, 2007. 
[4]Carvalho, José André, Órteses: um recurso 
terapêutico complementar, Manole, 2006. 
[5]Santos, Marcelo Augusto Rozan dos, 
"Engenharia Reversa: um método orientado a 
imobilizadores ortopédicos”, 2016. 
[6]Elui, Valeria Meirelles Carril, Maria Helena 
Pessini de Oliveira, and Claudia Benedita dos 
Santos, "Órteses: um importante recurso no 
tratamento da mão em garra móvel de 
Hansenianos", Hansen Int, 26.2:105-111, 2001. 
 [7]Ferreira, Luiz Alfredo Braun, et al, "Effect of 
ankle-foot orthosis on gait velocity and cadence 
of stroke patients: a systematic review", Journal 
of physical therapy science, 25.11:1503-1508, 
2013. 
 [8] Lin, Yan-Ping, Cheng-Tao Wang, and Ke-
Rong Dai. "Reverse engineering in CAD model 
reconstruction of customized artificial joint", 
Medical Engineering & Physics, 27.2:189-193, 
2005. 
[9]Varady, Tamas, Ralph R. Martin, and Jordan 
Cox. "Reverse engineering of geometric 
models—na introduction", Computer-Aided 
Design 29.4:255-268, 1997. 
[10]Volpato, Neri, “Prototipagem rápida: 
tecnologias e aplicações”, Edgard Blucher, 
2007. 
[11]Canciglieri Junior, Osiris, Selhorst Junior, 
Aguilar, & Sant’Anna, Ângelo Márcio Oliveira, 
“Método de decisão dos processos de 
prototipagem rápida na concepção de novos 
produtos”, Gestão & Produção, 22.2:345-355, 
2015.