PRÓTESES MECÂNICAS PARA AMPUTADOS DE MEMBROS INFERIORES COM
ÊNFASE NO PÉ
Reinaldo Batista Júnior1,Giuseppe Mirlisena2, Fábio Raia3
1

Universidade Presbiteriana Mackenzie /Mecânica, Rua da Consolação 930,[email protected]
2
Universidade Presbiteriana Mackenzie /Mecânica, Rua da Consolação 930, [email protected]
2
Universidade Presbiteriana Mackenzie /Mecânica, Rua da Consolação 930, [email protected]

Resumo - O presente trabalho tem como objetivo principal verificar por meio de simulações numéricas
qual comportamento, ao carregamento estático, em um modelo comercial de uma prótese para membros
inferiores. Vários materiais foram ensaiados no sentido de produzir uma melhor adaptação às normas
vigentes, bem como compatibilizar uma relação custo benefício adequada para esse tipo de seqüela. O
trabalho também expõe de forma indireta, a necessidade de uma interação mais próxima entre teoria e
prática no que se refere às simulações numéricas com o aquele do conteúdo programático apresentado nas
escolas de nível superior.
Palavras-chave: Prótese, simulação numérica, elementos finitos.
Área do Conhecimento: Engenharias
Introdução
A perda de um membro ou parte dele
representa uma mudança profunda nas atividades
físicas e no bem estar psicológico do ser humano,
bem como influencia em todas as atividades de
lazer e profissional. Uma forma de amenizar e
recolocar o indivíduo dentro dos afazeres
cotidianos é a colocação de próteses no local do
membro amputado. Por outro, lado existe a
necessidade de se preparar, desenvolver,
próteses para aquilo que é classificado como
anomalia congênita, enfermidades que geralmente
costumam acompanhar pacientes desde os seus
primeiros dias de vida e que também podem ser
denominadas "amputações congênitas". Podendo
ser anomalias transversais ou anomalias
longitudinais, sendo que as transversais utilizam
próteses com encaixes e as longitudinais possuem
função de órteses e próteses ao mesmo tempo
(BLOHMKE, 2002).
A dificuldade encontrada na confecção de uma
prótese reside na escolha do melhor material, que
seja compatível e que disponibilize conveniência
técnica observando a otimização do custo
benefício. Outro fator a ser observado é a estética
a qual, entre vários fatores deve obedecer a teoria
da resistência dos materiais e estar afinado para
evitar
posterior
desagrado
ao
amputado
(PAVÓN,1975).
A atenção aos métodos de
fixação e carregamentos prescritos em norma
(ABNT, 2002a), uma prótese de mercado, cedida
especialmente para esse trabalho, foi utilizada no
sentido de compartilhar testes com a resposta
obtida pela utilização de diferentes materiais e
suas particularidades. Isso visa fornecer subsídios
para
facilitar
estudos
posteriores
de

desenvolvimento de novos materiais em próteses
do mesmo modelo estudado.
As próteses para membros inferiores são
comumente utilizadas para amputado total ou
parcial podendo esta substituir desde uma perna
toda, sendo, portanto adaptada ao coto, ou então
substituir uma parte, por exemplo, o pé. Este por
sua vez é composto por três partes básicas:
adaptador modular, mola interna ou núcleo e
revestimento. Cada parte tem como função básica
realizar a união naquilo que se denomina de
componente funcional (pé, articulação de joelho,
articulação de quadril e encaixe) das próteses
modulares e resistir à massa do usuário, bem
como e, simultaneamente, absorver a energia e
dissipá-la de volta para auxiliar o paciente em sua
caminhada. Os materiais mais comumente
utilizados na confecção das próteses mecânicas
são: titânio, liga cobalto-cromo-molibdênio, aço
inoxidável e fibra de carbono.
Materiais e Métodos
O modelo desenvolvido e testado, assemelhou-se
a um sistema massa-mola, devido ao movimento
oscilatório que surge no ato de caminhar e das
forças restauradoras que tendem a trazer ou
manter o sistema em determinado estado ou
posição. Estas forças são elásticas e fazem parte
e podem ser descritas através de um movimento
harmônico simples (NUSSENZVEIG, 2007).
O desenvolvimento do modelo iniciou-se
com o dimensionamento do pé mecânico físico
existente, cedido para a realização deste trabalho
pela Orthogen Técnica Ortopédica Ltda., para que
se pudesse desenvolver o modelo virtual, o qual
foi realizado software SolidWorksTM. A partir das

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dimensões foi desenhado um sketch em duas
dimensões,
obtendo-se
um
modelo
que
posteriormente foi utilizado para criar uma visão
em três dimensões e foi a base dos estudos. Com
a modelagem principal, partiu-se para o projeto do
salto do pé mecânico, que em a função de apoio
quando o portador encontra-se parado. A figura 1
mostra o modelo executado com as respectivas
dimensões em comparação com o modelo final,
figura 2 com o modelo comercial.

Figura 1. Aspecto do pé mecânico utilizado para
modelamento.

disposta numa localidade próxima da posição real,
encontrada diariamente pelo amputado quando da
utilização da prótese em teste.
Uma forma encontrada para tornar real a
disposição da força, foi implementação em um
local próximo ao centro da planta do pé como
preconiza a NBR ISO 10328 ((ABNT, 2002b).
A fgura 3 mostra o ponto de aplicação na
planta do pé na situação indicada pela norma e na
situação indicada pelo modelo.

3a
3b
Figura 3. Indicação do engastamento na
situação da norma fig.3a e no modelo fig.3b.
Os testes foram realizados baseando-se em
alguns dos princípios da norma NBR ISO 10328
(ABNT, 2002c, ABNT, 2002d). isso porque, não há
uma norma específica para a análise virtual e, na
medida do possível, os parâmetros existentes
foram adequados. A maioria dos ensaios foram
feitos para duas condições de carga: uma mais
amena e outra crítica. Os ensaios realizados,
conforme a norma, foram:
ensaio do dispositivo de fixação;
ensaio estático de comprovação;
ensaio estático de falha;
ensaio cíclico.

2a
2b
Figura 2. Pé mecânico comercial (a) e o pé
mecânico modelado para estudos (b).
A adequação do modelo ao método dos
elementos finitos (MEF) para a realização do
estudo de caso, foi inciado pelas vinculações que
poderiam inseridas fixando-as no movimento em
um ou dois eixos de deslocamento do ponto de
intersecção da malha do modelo virtual disposto,
sendo que poderia haver vinculação nos três eixos
de deslocamentos (u, v e w). Nesse estudo foi
reservada uma área na extensão vertical do pé,
para ser vinculado de maneira a simular a
existência de um engastamento, o qual devolve
uma resposta próxima à realidade, quando
submetido à ação da força a ser carregada na face
solo do modelo. Para a obtenção de uma resposta
aos ensaios virtuais executados no modelo, as
vinculações, no caso a força de cada teste, foi

Resultados

Todos os resultados foram obtidos através do
software CosmosXpressTM, para cada ensaio e
para cada condição de carga imposta pelos
respectivos ensaios a figura 4 deverá ser
observada.

Figura 4. Indicação da deformação devido a
imposição dos carregamentos.

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Ensaio do dispositivo de fixação.
Os resultados obtidos nos testes do ensaio do
dispositivo de fixação são demonstrados
parcialmente na tabela 1. Vale ressaltar que para
este ensaio a NBR ISO 10328 no item 5.4.3, para
testes físicos, determina que haja um máximo D1
= 2 mm e que o máximo D2 = 0,5 mm, mediante a
aplicação da seqüência de forças 944 N; 828 N;
50 N; 3717,6 N; 3260,4 N; e 50 N. Os D1 e D2
máximos encontrados estão explícitos na coluna à
direita da tabela.
Tabela 1. Valores de D1 e D2
Material
D1 máx
D2
Titânio
72,2 mm 0,0 mm
Aço Inoxidável
42,3 mm 0,0 mm
Fibra de Carbono
34,5 mm 0,0 mm
Os valores de D1 máx são obtidos subtraindo o
modulo do deslocamento máximo encontrado
quando se excita o modelo com a força máxima
3717,6 N do valor encontrado no deslocamento
final encontrado com carga de 50 N. Para
encontrar D2, se subtrai o valor de deslocamento
encontrado logo após a aplicação da primeira
força de 50 N do valor de deslocamento
encontrado logo após a aplicação da força final de
50 N.
Ensaio estático de comprovação.
A seqüência de testes e resultados obtidos no
ensaio estático de comprovação seguem na tabela
3. O resultado esperado segundo a norma é que
D3 não exceda 15mm, para teste físico. A norma
indica que, para se chegar a D3: excita-se o
modelo com 50 N para encontrar o deslocamento
d1; na seqüência excita-se com uma força de
2065 N para encontrar deslocamento; na
seqüência uma força de 1811 N deve ser colocada
para atuar no modelo e, a deformação será outra;
por fim, volta-se a excitar o modelo com 50 N para
encontrar um deslocamento d2. O D3 procurado é
determinado subtraindo-se d2 de d1. A tabela 3
mostra os resultados.
Tabela 3. valores de deformação no ensaio de
comprovação
Material
D3
Titânio
0,0 mm
Aço Inoxidável
0,0 mm
Fibra de Carbono 0,0 mm
Ensaio estático de falha
O ensaio estático de falha foi realizado com
a aplicação de dois diferentes carregamentos para
cada material. Os resultados podem ser vistos na
tabela 4. A norma indica que, para validação dos
testes, deve-se excitar o modelo com 3098 N e
medir o deslocamento; retirando a força e, na
seqüência, excita-se o modelo com 2717 N,
anotando também os deslocamentos.

Tabela 4. Seqüência do ensaio estático de falhas
e respectivas respostas
Força
Material
Deslocamento
3098 N

Titânio

2717 N
3098 N

53,50 mm
Aço Inoxidável

2717 N
3098 N

61,01 mm

35,53 mm
31,16 mm

Fibra de Carbono

2717 N

29,18 mm
25,59 mm

Ensaio cíclico
Na
norma
existe
uma
seqüência
estabelecida de forças para validar o teste. Esta
seqüência é: excitar o material inicialmente com
1230 N, aliviar a excitação e voltar a colocar 1085
N para atuar no modelo. Após aliviar o trabalho
desta nova força no protótipo, atuá-lo então com
50 N, retirar a atuação e, para que se finalize o
teste, deve excitá-lo com 1180 N, retirar tal
excitação e finalizar os testes de ensaio cíclico
com a ação de 1035 N e posterior remoção de
ação. No trabalho esta seqüência foi obedecida
para os três materiais estudados: Titânio, aço
inoxidável e fibra de carbono; para que se
pudesse observar as respostas de cada material
às excitações.
Na tabela 5, simplificada, mostra os
resultados obtidos com o material titânio.
Tabela 5. Deslocamentos relativos às forças
aplicadas no ensaio cíclico
Força
Deslocamento

1230,0
1085,0
50,0
1180,0
1035,0

24,220 mm
21,370 mm
0,9850 mm
23,240 mm
20,380 mm

Discussão
Os ensaios realizados virtualmente, segundo
as normas indicaram uma consonância dos
valores impostos para os valores obtidos. A
situação mais discordante foi referente ao ensaio
do dispositivo de fixação, cujos valores
sobrepujaram a norma. Nos outros testes os
resultados concordaram com a norma. A validação
em testes práticos deve ser realizada para efetiva
comprovação
dos
resultados.
Porém,
o
impedimento é devido a grande dificuldade na
construção de máquinas de testes. Devido as

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dificuldades técnicas e alto custo de construção e
operação.

- NBR ISO 10328-3: Ensaios
Principais. Rio de Janeiro, 2002c.

Conclusão

- NBR ISO 10328-4: Parâmetros de Carga dos
Ensaios Estruturais Principais. Rio de Janeiro,
2002d.

Dentre as respostas encontradas nos testes,
houve uma constância nas deformações em cada
material, após atuação de cada carregamento;
mas houve sim um material que se saiu melhor e
que trouxe respostas mais próxima à realidade.
Apesar de também ter extrapolado o limite de
deformação D1 no teste de ensaio dos dispositivos
de fixação, a fibra de carbono foi o material que
melhor respondeu às solicitações. Mesmo nenhum
material atendendo ao limite de D1, vale ressaltar
que não houve problema nem necessidade de
interrupção dos testes neste ensaio dos
dispositivos de fixação, pois vale relembrar que: a
norma foi utilizada como um auxílio quanto a
carregamentos e forças, mas não com o objetivo
de se confrontar detalhadamente a resposta obtida
à ideal, da NBR ISO 10328 (ABNT, 2002d, ABNT,
2002e, ABNT 2002f)
O titânio e o aço inoxidável testados, também
mantiveram uma coerência, quanto às respostas,
uma vez que: conforme se aumentava os
carregamentos
nos
modelos,
aumentavam
também as deformações, deflexões, encontradas;
mas, estas acabaram retornando deformações
muito significativas o que, para o usuário, se
traduz em cansaço quando da utilização da
prótese. Outro fator importante é que, apesar do
software
não
demonstrar
quebras,
uma
demonstração de deformação excessiva é
subentendida como uma quebra por quem opera o
programa, uma vez que, materiais como o titânio,
o aço inoxidável e a fibra de carbono, quando
ultrapassam certo limite de deformação, têm suas
interligações estruturais rompidas e entregam ao
usuário a quebra da prótese.
Por isso, apesar de com a fibra de carbono
haver também grandes deformações, estas são
bem menos significativas que às dos demais
materiais e quando agindo sobre tal material,
entregam uma garantia melhor de elasticidade;
com isso este, através deste estudo, foi
considerado o material mais indicado para a
utilização em próteses de pé, nas circunstâncias
do modelo testado.

Estruturais

- NBR ISO 10328-5: Ensaios Estruturais
Suplementares. Rio de Janeiro, 2002e.
- NBR ISO 10328-6: Parâmetros Estruturais dos
Ensaios Estruturais Suplementares. Rio de
Janeiro, 2002f.
- BLOHMKE, Fritz.Compêndio Otto Bock :Próteses
Para o Membro Inferior. 2ª Edição, Schiek&Schön
GmhB, Berlim. 2002.
- NUSSENZVEIG, H. Moysés. Curso de Física
Básica Vol. 2. São Paulo, 1998: Editora Edgard
Blutcher, São Paulo, 2007.
- PAVÓN, Salvador J. Implantes em Ortopedia y
Traumatologia. Editorial Médica Panamericana
S.A., 1975.

Referências
- ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS
TÉCNICAS. NBR ISO 10328-1: Próteses ­ Ensaio
Estrutural para Próteses de Membro Inferior:
configurações de ensaio. Rio de Janeiro, 2002a.
- NBR ISO 10328-2: Corpos-de-prova. Rio de
Janeiro, 2002b.

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