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O desenho protético do joelho representa um dos desafios mais complexos da engenharia biomédica moderna, exigindo uma compreensão profunda dos princípios biomecânicos para criar dispositivos que restabeleçam a mobilidade, a estabilidade e a qualidade de vida de indivíduos com amputação transfemoral. Os joelhos protéticos são dispositivos médicos de última geração que utilizam mecanismos e componentes mecânicos para simular a função biológica normal do joelho para indivíduos com amputação transfemoral.O desenvolvimento desses sofisticados dispositivos envolve a integração de conhecimentos de múltiplas disciplinas, incluindo biomecânica, ciência de materiais, engenharia de sistemas de controle e reabilitação clínica para replicar as funções intricadas do joelho humano natural.

A Biomecânica Fundamental do Joelho Humano

Para entender o desenho protético do joelho, primeiramente, deve-se apreciar a notável complexidade da articulação biológica do joelho, sendo o joelho natural um elo crítico na cadeia cinética da locomoção humana, proporcionando estabilidade tanto durante as atividades de suporte de peso quanto mobilidade durante o movimento. Durante a caminhada normal, o joelho sofre uma sequência sofisticada de movimentos de flexão e extensão coordenados com timing preciso e modulação de força.

O joelho biológico realiza várias funções biomecânicas essenciais simultaneamente, deve suportar o peso corporal durante a fase de postura da marcha, absorver o choque durante o golpe de calcanhar, facilitar a progressão suave da frente durante a caminhada e permitir ajustes rápidos na mudança de terreno e velocidade de caminhada, além de fornecer feedback proprioceptivo ao sistema nervoso central, possibilitando ajustes inconscientes que mantenham o equilíbrio e previnem quedas.

Como os componentes protéticos não possuem músculos e feedback sensorial, o design protético depende do alinhamento mecânico, propriedades do material e geometria para replicar essas funções da forma mais eficiente possível, o que impulsiona grande parte da inovação na tecnologia protética do joelho, pois os engenheiros trabalham para compensar a ausência de sistemas de controle biológico através de soluções mecânicas e eletrônicas cada vez mais sofisticadas.

Desafios biomecânicos em Design de Joelho Prótético

Os mecanismos mecânicos relacionam-se ao desempenho percebido da caminhada, incluindo evitação de quedas, absorção de choques e simetria da marcha. Compreender esses desafios biomecânicos é essencial para o desenvolvimento de joelhos protéticos que atendam às diversas necessidades dos usuários em diferentes níveis de atividade e capacidades funcionais.

Estabilidade da Fase de Estabilidade

Um dos desafios biomecânicos mais críticos no desenho protético do joelho é proporcionar estabilidade adequada durante a fase de postura da marcha, iniciando-se a fase de postura quando o pé entra em contato com o solo ao bater o calcanhar e continua até o dedo do pé, representando aproximadamente 60% do ciclo da marcha durante a caminhada normal, e nessa fase o joelho protético deve suportar o peso corporal total do usuário, evitando flexão indesejada que possa levar a quedas.

O joelho biológico consegue estabilidade de postura por meio do controle muscular ativo, particularmente do grupo muscular do quadríceps, pois na ausência desse controle muscular, os joelhos protéticos devem contar com sistemas mecânicos ou eletrônicos para proporcionar estabilidade equivalente, o que se torna particularmente agudo durante atividades como rampas descendentes ou escadas, onde as forças gravitacionais tendem a promover flexão do joelho precisamente nos momentos em que a estabilidade é mais crítica.

Flexão de estabilidade precoce e absorção de choque

À medida que o amputado transfere peso para a prótese em fase inicial de postura, o joelho se flexiona gradualmente até 15 graus, amortecendo o impacto da aceitação do peso.Este mecanismo de flexão precoce da postura (FSE) serve múltiplas funções biomecânicas importantes, absorve choque durante o golpe do calcanhar, reduzindo as forças de impacto transmitidas pela prótese ao membro residual e ao resto do corpo, contribuindo também para um padrão de marcha mais natural e energeticamente eficiente, imitando a leve flexão do joelho que ocorre naturalmente durante a fase de resposta de carga da marcha normal.

O desafio na concepção de mecanismos de ESF reside em equilibrar a absorção de choque com estabilidade. O joelho deve flexionar o suficiente para proporcionar amortecimento adequado, mas não tanto que comprometa o senso de segurança do usuário ou aumente o risco de flambagem. Além disso, o mecanismo ESF deve ser cuidadosamente calibrado para o peso do usuário, velocidade de caminhada e nível de atividade para proporcionar desempenho ideal em uma variedade de condições.

Controle de Fase de Roda

A fase de balanço da marcha começa quando o pé sai do chão e continua até o próximo golpe no calcanhar. Nessa fase, o joelho protético deve se flexionar para permitir que o pé limpe o chão, então se estenda suavemente para se preparar para a próxima fase de postura. O desafio biomecânico consiste em controlar tanto a velocidade e extensão da flexão e extensão do joelho para corresponder à velocidade de caminhada e cadência do usuário.

Na marcha biológica, o movimento do joelho em fase de balanço é controlado por uma complexa interação de forças musculares, momento e efeitos gravitacionais. Os joelhos protéticos devem replicar esse movimento natural utilizando sistemas de controle mecânicos ou eletrônicos. O joelho deve se flexionar rapidamente o suficiente para proporcionar uma folga adequada do solo, mas não tão rapidamente que crie um padrão de marcha não natural ou desconfortável. Da mesma forma, a extensão do joelho deve ocorrer com o tempo e velocidade adequados para posicionar o pé corretamente para o próximo golpe de calcanhar.

Adaptação às Velocidades Variáveis de Terrar e Caminhar

A biomecânica das caminhadas em rampas é frequentemente negligenciada, mas a capacidade de adaptação a diferentes terrenos e velocidades de caminhada representa um dos desafios biomecânicos mais significativos no projeto de próteses do joelho. Os usuários precisam de joelhos protéticos que possam acomodar piso de nível, subida e descida de escadas, navegação em rampas e transições entre diferentes superfícies e inclinações.

Cada uma dessas atividades coloca diferentes demandas biomecânicas no joelho protético. Caminhar para cima requer maior força de extensão e estabilidade do joelho, enquanto andar para baixo exige maior controle de flexão para evitar que o joelho encurve sob as forças gravitacionais aumentadas. A descida da escada é particularmente desafiadora, pois requer flexão controlada do joelho enquanto suporta o peso corporal – uma tarefa que o joelho biológico realiza através da contração excêntrica do quadríceps, mas que os joelhos protéticos devem alcançar por meios mecânicos ou eletrônicos.

Componentes Mecânicos Principais e suas Funções Biomecânicas

Os joelhos protéticos incorporam vários componentes mecânicos, cada um projetado para atender requisitos biomecânicos específicos. Compreender como esses componentes trabalham em conjunto fornece insight sobre a engenharia sofisticada por trás dos modernos sistemas de joelho protético.

Configuração do Eixo Conjunto

A configuração do eixo articular do joelho determina fundamentalmente como o joelho protético se move e proporciona estabilidade. Os joelhos de eixo único apresentam um mecanismo de dobradiça simples com um centro de rotação, semelhante a uma dobradiça de porta.Este desenho oferece simplicidade e durabilidade, mas pode não reproduzir totalmente o movimento complexo do joelho biológico, que envolve, na verdade, uma combinação de movimentos de rolamento e deslizamento.

Os joelhos policêntricos, em contraste, incorporam múltiplos eixos de rotação para cinemática natural mais aproximada, tipicamente com um mecanismo de ligação de quatro barras que cria um centro instantâneo de rotação que muda ao longo da amplitude de movimento. Essa configuração oferece várias vantagens biomecânicas, incluindo uma melhor estabilidade durante a postura precoce, uma melhor folga do solo durante a fase de balanço e um padrão de marcha mais natural.

Sistemas de resistência e de represamento

Os sistemas de resistência e amortecimento controlam a velocidade de flexão e extensão do joelho, desempenhando um papel crucial tanto na estabilidade da postura quanto no controle da fase de balanço. Esses sistemas podem ser amplamente categorizados em projetos de atrito, pneumáticos, hidráulicos e magnetorreológicos, cada um com características biomecânicas diferentes.

Sistemas baseados em fricção usam mecanismos de atrito ajustáveis para proporcionar resistência constante ao movimento do joelho. Embora simples e confiáveis, esses sistemas não podem se adaptar a mudanças na velocidade de caminhada ou terreno, potencialmente limitando sua eficácia biomecânica em diversas atividades.

Os sistemas pneumáticos utilizam ar comprimido para proporcionar resistência variável ao movimento do joelho. Estes sistemas podem ser projetados para fornecer diferentes níveis de resistência durante a flexão e extensão, permitindo um controle mais sofisticado do movimento do joelho. No entanto, os sistemas pneumáticos podem ser sensíveis a mudanças de temperatura e podem apresentar algum desfasamento no tempo de resposta.

Os sistemas hidráulicos utilizam o fluxo de fluidos através de válvulas e câmaras para controlar o movimento do joelho. Estes sistemas oferecem excelentes características de controle e podem ser projetados para fornecer amortecimento dependente da velocidade, o que significa que a resistência aumenta à medida que o joelho se move mais rápido. Esta propriedade biomecânica ajuda a evitar que o joelho se mova muito rapidamente durante a fase de balanço, permitindo ainda movimento suave e controlado em velocidades apropriadas.

Mecanismos de Ajuda à Extensão

Os mecanismos de auxílio de extensão ajudam o joelho protético a se estender durante a fase de balanço tardio, preparando-se para o próximo golpe de calcanhar, que normalmente utiliza molas ou bandas elásticas para armazenar energia durante a flexão do joelho e liberá-lo durante a extensão.O benefício biomecânico da extensão auxiliar é que reduz o esforço muscular necessário do usuário para posicionar o membro protético corretamente para o golpe de calcanhar, potencialmente reduzindo o gasto energético e melhorando a simetria da marcha.

O desenho dos mecanismos de extensão deve equilibrar vários fatores concorrentes, sendo necessária força de assistência suficiente para garantir uma extensão confiável do joelho, mas a força excessiva pode fazer com que o joelho se estenda muito rapidamente ou com força, criando um padrão de marcha não natural ou até mesmo fazendo com que o joelho se extendesse.

Estruturas de transmissão de peso e carga

A transmissão de carga envolve compreender como a força é distribuída através da prótese para evitar a pressão excessiva sobre os membros residuais, devendo os componentes estruturais do joelho protético ser projetados para transmitir com segurança forças do soquete através do mecanismo do joelho para o pé protético e, em última análise, para o solo.

Essas estruturas de suporte devem ser suficientemente fortes para suportar múltiplas vezes o peso corporal durante atividades como correr ou descer escadas, mas leves o suficiente para minimizar o custo metabólico do balanço do membro protético. Materiais como titânio e fibra de carbono são utilizados para suas relações força-peso, aumentando a durabilidade e a usabilidade.A geometria dessas estruturas também afeta o alinhamento biomecânico da prótese, influenciando fatores como as características de estabilidade do joelho e o padrão de marcha do usuário.

Tipos de Joelhos Próteses e suas Características Biomecânicas

Os joelhos protéticos podem ser classificados em várias categorias com base em seus mecanismos de controle e sofisticação tecnológica. Cada tipo oferece características biomecânicas distintas, adequadas às diferentes necessidades e níveis de atividade do usuário.

Joelhos Mecânicos

Os joelhos mecânicos são geralmente controlados por um bloqueio mecânico, fricção ou fluidos pneumáticos ou hidráulicos, que representam a abordagem tradicional do projeto protético do joelho e permanecem amplamente utilizados devido à sua confiabilidade, durabilidade e menor custo em comparação com tecnologias mais avançadas.

Os joelhos de bloqueio manuais proporcionam máxima estabilidade, permitindo que o usuário bloqueie o joelho em extensão completa. Este desenho é particularmente adequado para usuários com força ou equilíbrio limitados, pois elimina o risco de flambagem do joelho durante a fase de apoio. No entanto, o trade-off biomecânico é que o joelho bloqueado cria um padrão de marcha não natural e requer que o usuário destrave manualmente o joelho antes de sentar ou subir escadas.

Os joelhos de controle de postura ativados pelo peso usam o peso corporal do usuário para bloquear ou estabilizar automaticamente o joelho durante a fase de apoio. Esses joelhos normalmente apresentam um mecanismo de freio que se acopla quando o peso é aplicado à prótese e libera quando o peso é removido. Muitas vezes, apenas o peso corporal é usado para ativar o mecanismo de controle de postura, levando a um padrão de caminhada menos natural. Embora este projeto proporciona boa estabilidade para o nível de chão caminhada, ele pode não se adaptar bem a atividades como rampas descendente ou escadas.

Os joelhos passivos são leves e eficientes em termos de energia, pois os mecanismos e componentes são altamente combinados com a biomecânica de caminhada. Os joelhos de atrito constante usam atrito ajustável para proporcionar resistência ao movimento do joelho ao longo do ciclo de marcha. O prostetista pode ajustar o nível de atrito para corresponder à velocidade de caminhada do usuário e ao nível de atividade. No entanto, uma vez ajustado, o atrito permanece constante, independentemente das mudanças na velocidade de caminhada ou terreno, o que pode limitar a eficácia biomecânica do joelho em diversas atividades.

Joelhos hidráulicos e pneumáticos

Os joelhos hidráulicos e pneumáticos representam um avanço significativo na tecnologia protética do joelho, oferecendo resistência dependente da velocidade que se adapta à velocidade de marcha do usuário, que utiliza fluido ou fluxo de ar através de válvulas para controlar o movimento do joelho, aumentando automaticamente a resistência à medida que o joelho se move mais rápido.

A vantagem biomecânica da resistência dependente da velocidade é substancial. Durante a marcha lenta, o joelho oferece menos resistência, permitindo um movimento suave e fácil. À medida que a velocidade da marcha aumenta, a resistência aumenta automaticamente, impedindo que o joelho balance muito rapidamente e ajudando a manter um padrão natural de marcha. Esta característica adaptativa permite aos usuários variar sua velocidade de caminhada mais naturalmente do que é possível com os joelhos de atrito constantes.

Quando os controles hidráulicos ou pneumáticos de fase de balanço permitem que o protetista defina um ritmo ajustado ao amputado individual, de muito lento para um ritmo de corrida. Alguns joelhos hidráulicos avançados também fornecem controle de fase de postura, usando resistência hidráulica para fornecer flexão controlada durante a postura inicial para absorção de choque, mantendo estabilidade durante o resto da fase de postura.

Joelhos Controlados por Microprocessadores

Os joelhos microprocessadores, às vezes referidos como joelhos controlados por computador, utilizam tecnologia que oferece uma caminhada mais segura com menos esforço, facilitando a navegação de colinas, rampas e terrenos irregulares com maior estabilidade, dispositivos sofisticados que representam o atual estado da arte na tecnologia protética do joelho, incorporando sensores, microprocessadores e algoritmos de controle avançados para proporcionar adaptação em tempo real à marcha do usuário e condições ambientais.

Sistemas de sensores e aquisição de dados

Os sensores dentro dos joelhos do microprocessador coletam constantemente dados de movimento e timing, que os joelhos interpretam para fazer os ajustes necessários. Esses sensores incluem normalmente sensores de momento que medem as forças e torques que atuam na articulação do joelho, sensores de ângulo que rastreiam a posição do joelho ao longo do ciclo de marcha e acelerômetros que detectam mudanças na velocidade e orientação.

Os dados biomecânicos coletados por esses sensores fornecem uma visão abrangente da marcha do usuário em tempo real, analisando padrões nesses dados, o microprocessador pode identificar em que fase da marcha o usuário está, prever o que acontecerá a seguir e ajustar a resistência do joelho de acordo.Esse ciclo contínuo de monitoramento e ajuste ocorre muitas vezes por segundo, permitindo que o joelho responda quase que instantaneamente às mudanças no movimento do usuário ou no ambiente.

Algoritmos de controle e resposta adaptativa

Os joelhos de microprocessador usam sensores, software e um computador integrado para ajustar a resistência baseada em fluidos à sua marcha única. Os algoritmos de controle em joelhos de microprocessador representam aplicações sofisticadas de princípios biomecânicos e teoria de controle. Esses algoritmos devem processar dados do sensor em tempo real, identificar a fase atual da marcha, prever eventos futuros e ajustar as propriedades mecânicas do joelho de acordo com isso.

Ottobock MPKs monitora continuamente as fases da sua marcha, ajustando-se em tempo real para o apoiar à medida que acelera ou desacelera. Esta capacidade adaptativa representa uma vantagem biomecânica fundamental sobre os joelhos mecânicos. O microprocessador pode ajustar a resistência do joelho para corresponder à velocidade de caminhada do utilizador, proporcionar uma estabilidade melhorada quando as rampas ou escadas descem, e até detectar tropeços e aumentar automaticamente a resistência para ajudar a prevenir quedas.

Controle de Fase de Estágio em Joelhos de Microprocessador

Os joelhos controlados por microprocessador adaptam a resistência hidráulica em tempo real, proporcionando ao usuário suporte para se manter parado ou em movimento. Durante a fase de postura, os joelhos microprocessadores monitoram continuamente as forças que atuam sobre a articulação do joelho e ajustam a resistência hidráulica para proporcionar uma estabilidade ótima. Quando o joelho detecta que o usuário está parado ou andando no chão de nível, ele proporciona alta resistência para evitar flexão indesejada. Ao descer uma rampa ou escadas, o joelho pode fornecer flexão controlada, permitindo que o usuário caminhe mais naturalmente, mantendo a segurança.

Eles detectam tropeços em tempo real, automaticamente ajustando sua rigidez e permitindo que o usuário se apanhe para evitar uma queda. Este recurso de recuperação de tropeço representa uma vantagem de segurança biomecânica significativa. Se os sensores do joelho detectarem um padrão de carga inesperado que sugere que o usuário está tropeçando, o microprocessador pode instantaneamente aumentar a resistência do joelho, endurecendo efetivamente a articulação para fornecer suporte e ajudar o usuário a recuperar o equilíbrio.

Controle de fase de balanço em joelhos de microprocessador

As próteses de joelho controladas por microprocessador detectam o tempo de passo e alteram os níveis de extensão do joelho para se adequar à velocidade de caminhada, utilizando um sensor computadorizado para detectar quando o joelho está totalmente estendido. O protetista define parâmetros de marcha que o computador seleciona automaticamente e aplica de acordo com o ritmo de deambulação em tempo real. O microprocessador então ajusta a fase de balanço da marcha automaticamente na tentativa de produzir uma marcha mais natural dentro de padrões de velocidades de caminhada variáveis.

Este controle adaptativo de fase de balanço permite que os usuários andem em velocidades variáveis sem ajustar conscientemente seu padrão de marcha. O joelho fornece automaticamente a quantidade adequada de resistência durante a flexão para controlar a velocidade de flexão do joelho, então reduz a resistência durante a extensão para permitir que a perna inferior balance suavemente para a frente.

Joelhos Protéticos Desenvolvidos e Semi-Ativos

Além dos joelhos com microprocessador controlado que modulam a resistência, pesquisadores e fabricantes desenvolveram joelhos protéticos alimentados que podem gerar força e movimento ativamente. Um joelho protético híbrido atual combinou um sistema mola-damper, motor elétrico e sistema de transmissão para efetivamente deambular escadas. Esses dispositivos representam a ponta de ponta da tecnologia protética do joelho, tentando replicar mais plenamente a geração de potência ativa dos músculos biológicos.

Em joelhos semiativos, os motores elétricos geralmente trabalham com molas, sistemas de atuação hidráulica ou amortecedores magnetorreológicos para se adaptarem a vários terrenos. Os joelhos semiativos ocupam um meio-termo entre joelhos microprocessadores passivos e dispositivos totalmente alimentados. Eles usam pequenos motores ou outros atuadores para ajustar as propriedades mecânicas do joelho ou modo de operação, mas eles não fornecem as grandes forças necessárias para atividades como subir escadas ou ficar em pé de uma posição sentada.

Os joelhos protéticos totalmente alimentados incorporam motores capazes de gerar torque significativo para estender ou flexionar ativamente a articulação do joelho, podendo proporcionar trabalho mecânico positivo líquido ao longo do ciclo de marcha, potencialmente reduzindo o custo metabólico da caminhada e possibilitando atividades difíceis ou impossíveis com joelhos protéticos passivos. Por exemplo, os joelhos alimentados podem permitir que os usuários subam escadas passo-super-passo com o membro protético que lidera, subam rampas mais facilmente e se elevam de uma posição sentada sem usar os braços para assistência.

No entanto, os joelhos protéticos alimentados enfrentam desafios significativos, que requerem uma potência substancial da bateria, tornando-os mais pesados do que os dispositivos passivos.Um dos desafios no futuro é o de como mecanismos funcionais leves e eficazes podem ser integrados em atuadores para minimizar os custos metabólicos do usuário.Os sistemas de controle para joelhos movidos também são mais complexos, pois eles devem determinar não só quando prestar assistência, mas também quanta força gerar e em que direção.

O ciclo de marcha e a função do joelho protético

Compreender o ciclo de marcha é essencial para apreciar como funcionam os joelhos protéticos e como seu desenho aborda requisitos biomecânicos específicos em diferentes pontos do ciclo de caminhada. O ciclo de marcha é tipicamente dividido em fase de postura e fase de balanço, sendo cada fase subdividida em eventos e períodos distintos.

Contato inicial e resposta de carregamento

O ciclo de marcha começa com o contato inicial, quando o calcanhar atinge o solo. Na marcha normal, o joelho é quase totalmente estendido ao golpe de calcanhar, então flexiona ligeiramente (aproximadamente 15 graus) durante a resposta de carga, à medida que o peso corporal é transferido para o membro. Esta flexão de postura precoce serve para vários propósitos biomecânicos: absorve choque, reduz o centro de massa do corpo suavemente, e ajuda a manter o impulso para a frente.

Os joelhos protéticos devem replicar essa flexão de postura precoce, mantendo estabilidade e impedindo que o joelho seja encurvado. A estabilidade deste novo desenho é biomecanicamente aumentada pela flexão de postura, tornando desnecessário um recurso de travamento.

Estação de meio- andar e terminal

Durante a metade da fase, o centro de massa do corpo passa sobre o membro de apoio, e o joelho normalmente se estende para trás para extensão completa. Em posição terminal, à medida que o calcanhar começa a levantar e o peso corporal se desloca para frente para o antepé, o joelho permanece estendido para fornecer uma plataforma estável para empurrar. joelhos prótéticos devem manter estabilidade durante essas fases, permitindo a progressão natural do centro de massa do corpo sobre o pé protético.

O desafio biomecânico durante essas fases é manter a estabilidade sem criar resistência excessiva que impediria a progressão para a frente. O joelho deve ser estável o suficiente para suportar o peso corporal, mas não tão rígido que interfira com o movimento de rolamento natural do pé ou exija energia excessiva do usuário para avançar o corpo para frente.

Pré-Swing e inicial Swing

A pré-deslize, também chamada de dedo do pé, marca a transição da postura para a fase de balanço. À medida que o peso corporal é transferido para o membro oposto, o joelho começa a se flexionar rapidamente, atingindo aproximadamente 60 graus de flexão durante o balanço inicial. Essa flexão é essencial para a folga do solo, permitindo que o pé limpe o chão à medida que o membro oscila para a frente.

Os joelhos protéticos devem permitir a flexão livre durante esta fase, controlando a velocidade de flexão para evitar que a perna baixa balance muito rapidamente. A transição da postura para a fase de balanço é particularmente crítica, pois o joelho deve mudar rapidamente de proporcionar estabilidade e apoio para permitir o movimento livre. Os joelhos microprocessadores se sobressaem no manejo dessa transição, usando dados do sensor para detectar o início da fase de balanço e ajustar imediatamente as características de resistência do joelho.

Balanço de meio-escala e de terminal

Durante o balanço médio, o joelho atinge a flexão máxima, então começa a se estender à medida que a perna baixa balança para frente. No balanço terminal, o joelho continua a se estender, aproximando-se da extensão total na preparação para o próximo golpe de calcanhar.A velocidade e o tempo de extensão do joelho durante essas fases são críticos para alcançar um padrão natural de marcha e posicionar o pé corretamente para o contato inicial.

Os joelhos protéticos usam vários mecanismos para controlar o movimento da fase de balanço. Os mecanismos de auxílio de extensão ajudam a garantir que o joelho atinja a extensão adequada por meio de golpes de calcanhar. Os sistemas de retração controlam a taxa de extensão para evitar que o joelho se estenda muito rapidamente, o que pode fazer com que a perna inferior balance abruptamente ou até mesmo hiperextensão. O objetivo é alcançar uma extensão suave e controlada que corresponda à velocidade de caminhada e cadência do usuário.

Considerações biomecânicas para diferentes atividades

Enquanto a caminhada de nível de solo representa a atividade mais comum para usuários de próteses do joelho, muitas atividades diárias requerem diferentes capacidades biomecânicas.

Escada

Escalar escadas pode representar um grande desafio para amputados acima do joelho em decorrência do comprometimento do desempenho motor e limitações ao desenho protético. Escalar escadas requer que o joelho protético suporte o peso corporal enquanto fletido, uma tarefa que é biomecanicamente desafiador para joelhos protéticos passivos. A maioria dos usuários com joelhos protéticos passivos subir escadas com seu membro intacto, levando o membro protético até o mesmo passo, em seguida, repetir o processo - um padrão passo-a-passo em vez do padrão de passo-super-passo usado por indivíduos sem amputação.

Uma nova articulação protética controlada por microprocessador, o Gênio, incorpora uma função que permite que um amputado acima do joelho suba escadas passo acima do passo. Para executar essa função, vários sensores diferentes e algoritmos complexos de comutação foram integrados na articulação protética do joelho. Essa capacidade representa um avanço biomecânico significativo, pois requer que o joelho forneça flexão controlada enquanto suporta o peso corporal – uma função que tipicamente requer controle muscular ativo no joelho biológico.

Escada Descida

A descida das escadas é muitas vezes considerada ainda mais desafiadora do que ascensá-las, pois requer que o joelho protético forneça flexão controlada, apoiando o peso corporal contra a gravidade.Na marcha biológica, a descida das escadas é realizada através da contração excêntrica do músculo quadríceps, que controla a taxa de flexão do joelho enquanto o músculo se alonga.

Os joelhos do microprocessador podem detectar quando o usuário desce escadas e ajustar suas características de resistência de acordo com isso, proporcionando alta resistência à flexão do joelho, permitindo que o usuário se abaixe de forma controlada de um passo para o outro, o joelho deve fornecer resistência suficiente para evitar flexão descontrolada, mas não tanto que o usuário não consiga flexionar o joelho. Esse delicado equilíbrio é continuamente ajustado com base no feedback do sensor, permitindo uma descida suave e controlada das escadas.

Passeio de Rampa

Andar em rampas, quer ascendentes ou descendentes, coloca demandas biomecânicas únicas nos joelhos protéticos. Ao subir uma rampa, o joelho deve proporcionar estabilidade enquanto o centro de massa do corpo está posicionado atrás da base de apoio, criando um momento de flexão no joelho. Ao descer uma rampa, as forças gravitacionais criam um momento de flexão ainda maior, exigindo que o joelho forneça resistência substancial para evitar encurvadura.

Isso facilita a caminhada em velocidades variáveis e a descida segura rampas e escadas. Os joelhos do microprocessador podem detectar a caminhada da rampa através de mudanças nos padrões de carga e no momento dos eventos da marcha, e então ajustar suas estratégias de controle de acordo. Durante a descida da rampa, o joelho proporciona maior resistência à flexão durante toda a fase de postura, dando ao usuário confiança e estabilidade. Durante a subida da rampa, o joelho mantém estabilidade, permitindo a progressão natural do ciclo da marcha.

Terreno Inigualável

A caminhada em terreno desigual requer ajustes constantes para manter o equilíbrio e estabilidade. O joelho biológico realiza isso através de ajustes musculares contínuos guiados por feedback proprioceptivo. Os joelhos prótéticos devem proporcionar estabilidade em uma gama de condições inesperadas de carga sem o benefício do feedback sensorial ou controle muscular ativo.

Os joelhos microprocessadores são geralmente mais adequados para pessoas com estilos de vida moderados a ativos que navegam em terrenos irregulares ou obstáculos ambientais mais básicos como freios e superfícies inclinadas. As capacidades adaptativas dos joelhos microprocessadores os tornam particularmente bem adaptados para terrenos irregulares. Ao monitorar continuamente os padrões de carga e ajustar a resistência em tempo real, esses joelhos podem proporcionar estabilidade adequada, mesmo quando a superfície do solo é irregular ou imprevisível.

Alinhamento e seu impacto biomecânico

Segundo a biomecânica clássica da prótese, o alinhamento é tão crítico quanto a seleção de componentes, pois o alinhamento de uma prótese de joelho refere-se à sua relação espacial com o soquete acima e o pé protético abaixo. O alinhamento adequado é essencial para alcançar uma função biomecânica ótima, pois mesmo pequenos desalinhamentos podem afetar significativamente a estabilidade, eficiência energética e qualidade da marcha.

Alinhamento Sagital do Avião

No plano sagital (visão lateral), o alinhamento do joelho protético em relação ao soquete e ao pé determina as características de estabilidade do joelho.O conceito chave é a relação entre o vetor de força de reação do solo e o centro da articulação do joelho.Quando o vetor de força de reação do solo passa em frente ao centro do joelho, cria um momento de extensão que tende a manter o joelho estendido.Quando passa atrás do centro do joelho, cria um momento de flexão que tende a fazer com que o joelho se fivela.

Os protétistas ajustam cuidadosamente o alinhamento do plano sagital para proporcionar estabilidade adequada a cada usuário. O alinhamento mais estável, com o vetor de força de reação do solo passando bem em frente ao centro do joelho, proporciona maior segurança, mas pode dificultar o início da fase de balanço. O alinhamento menos estável requer do usuário um controle mais ativo, mas permite uma flexão mais fácil do joelho e um padrão de marcha mais natural.O alinhamento ideal depende da força, equilíbrio, nível de atividade do usuário e do tipo de joelho protético que está sendo utilizado.

Alinhamento de Aviões Coronais

No plano coronal (visão frontal), o alinhamento afeta a distribuição de forças através do joelho protético e a carga do membro residual dentro do soquete. O alinhamento adequado do plano coronal garante que as forças são transmitidas de forma eficiente através da prótese e que o soquete se encaixa confortavelmente sem criar pressão excessiva sobre qualquer área específica do membro residual.

O desalinhamento no plano coronal pode levar a padrões assimétricos de marcha, com o usuário deslocando seu peso lateralmente para compensar o desalinhamento, podendo aumentar o gasto energético, criar padrões anormais de carga que podem levar à dor articular ou a outros problemas musculoesqueléticos, e reduzir a confiança do usuário na prótese.

Alinhamento Rotacional

O alinhamento rotacional refere-se à orientação do pé protético em relação ao soquete e joelho. O alinhamento rotacional adequado garante que os pontos do pé na direção adequada durante a caminhada, tipicamente com uma leve rotação externa (rotação externa) de aproximadamente 5-7 graus para corresponder aos padrões normais de marcha.

O alinhamento rotacional incorreto pode levar o pé a apontar muito para dentro ou para fora, criando torques anormais na interface joelho e soquete, o que pode levar a desconforto, ruptura da pele e padrões compensatórios de marcha que aumentam o gasto energético e podem causar dor em outras articulações.

Seleção de materiais e desempenho biomecânico

Os materiais utilizados na construção do joelho protético influenciam significativamente o desempenho biomecânico, a durabilidade e a aceitação do usuário. Os joelhos protéticos modernos incorporam uma variedade de materiais avançados, cada um selecionado para propriedades específicas que contribuem para a função geral.

Materiais estruturais

Os componentes estruturais dos joelhos protéticos devem ser suficientemente fortes para suportar as forças substanciais geradas durante a caminhada e outras atividades, mas leves o suficiente para minimizar a energia necessária para balançar o membro protético. As ligas de titânio são comumente utilizadas para componentes estruturais devido à sua excelente relação força-peso, resistência à corrosão e biocompatibilidade.As ligas de alumínio oferecem vantagens semelhantes com peso ainda menor, embora possam ser menos adequadas para aplicações muito de alto estresse.

Compósitos de fibra de carbono são cada vez mais utilizados na construção de próteses no joelho, particularmente para componentes que se beneficiam de alta rigidez e baixo peso. Esses materiais podem ser projetados para fornecer propriedades mecânicas específicas em diferentes direções, permitindo aos designers otimizar o desempenho, minimizando o peso.

Rolamento e Superfícies de desgaste

Componentes que se movem em relação uns aos outros, como rolamentos de juntas e superfícies deslizantes, devem ser projetados para minimizar o atrito e o desgaste, mantendo o funcionamento suave ao longo de milhões de ciclos. polímeros de alto desempenho, como o polietileno de peso molecular ultra-alto (UHMWPE) são comumente usados para superfícies de rolamentos devido ao seu baixo coeficiente de atrito e excelente resistência ao desgaste.

Alguns joelhos protéticos incorporam sistemas de rolamentos selados semelhantes aos usados em aplicações industriais, utilizando rolamentos de esferas ou rolos de precisão para proporcionar movimento suave e de baixa fricção. Esses sistemas devem ser cuidadosamente selados para evitar a contaminação de sujeira, água ou outros fatores ambientais que possam comprometer seu desempenho.

Fluidos e Selos hidráulicos

Para os joelhos hidráulicos protéticos, a seleção de fluidos hidráulicos e materiais de vedação é fundamental para um desempenho confiável a longo prazo. O fluido hidráulico deve manter viscosidade consistente em uma gama de temperaturas, fornecer lubrificação adequada para peças móveis e resistir à degradação ao longo do tempo.

Os sistemas de vedação devem evitar que o fluido hidráulico vaze, permitindo o movimento suave de componentes móveis. Os joelhos modernos de próteses usam projetos avançados de vedação e materiais que fornecem vedação confiável ao longo de milhões de ciclos, minimizando o atrito e o desgaste.

Resultados clínicos e benefícios biomecânicos

A medida final do sucesso do desenho protético do joelho é o impacto nos resultados do usuário. Pesquisas têm demonstrado que os projetos avançados de joelho protético, particularmente os joelhos com microprocessador controlado, podem proporcionar benefícios biomecânicos e funcionais significativos em comparação com os joelhos mecânicos convencionais.

Qualidade de Marcha e Simetria

O uso do Gênio facilitou a biomecânica da marcha mais natural e a distribuição de carga em toda a estrutura musculoesquelética afetada e sonora, o que foi observado durante uma postura silenciosa em um declínio, caminhada no chão de nível, e caminhada para cima e para baixo rampas e escadas. A simetria da marcha melhorada é importante não só por razões cosméticas, mas também para a saúde musculoesquelética de longo prazo. Os padrões de marcha assimétricos podem levar a lesões de uso excessivo, dor articular e alterações degenerativas no membro intacto e outras articulações.

Estudos têm demonstrado que os joelhos microprocessadores podem reduzir as assimetrias da marcha em relação aos joelhos mecânicos, aproximando o padrão de marcha do usuário do normal, o que resulta da capacidade do joelho de adaptar suas características de resistência para corresponder à velocidade de caminhada do usuário e às demandas de diferentes atividades, permitindo um movimento mais natural do joelho ao longo do ciclo de marcha.

Despesas de Energia e Custo Metabólico

Caminhar com um membro protético normalmente requer mais energia do que a caminhada normal devido à ausência de geração ativa de energia muscular e a necessidade de compensar as limitações da prótese.O desenho avançado da prótese do joelho visa minimizar esse custo energético adicional, proporcionando um movimento mais eficiente e natural.

Pesquisas têm mostrado que os joelhos microprocessadores podem reduzir o custo metabólico da caminhada em comparação aos joelhos mecânicos, particularmente durante atividades como caminhar em velocidades variáveis ou em terreno desigual, o que pode traduzir-se em redução do gasto energético, aumento da resistência à caminhada e maior disposição para realizar atividades físicas.

Prevenção e Segurança de Quedas

A prevenção de quedas é apenas um aspecto – reduzindo as chances de lesões agudas –, mas a estabilização efetiva também pode reduzir os problemas médicos frequentemente vivenciados por amputados com próteses e articulações convencionais, como dor lombar, artrite e substituição do quadril.As quedas representam um risco significativo para indivíduos com amputação de membros inferiores, podendo levar a lesões graves e reduzir a confiança no uso da prótese.

Os joelhos microprocessadores têm demonstrado reduzir as taxas de queda em relação aos joelhos mecânicos. As características de recuperação de tropeços desses dispositivos, que detectam padrões de carga inesperados e aumentam automaticamente a resistência do joelho, proporcionam um importante benefício de segurança. Além disso, a estabilidade reforçada proporcionada pelos joelhos microprocessadores durante atividades desafiadoras, como rampas descendentes ou caminhadas em terreno desigual, podem ajudar a prevenir situações que podem levar a quedas.

Qualidade de Vida e Benefícios Psicológicos

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Os MPKs melhoraram as habilidades dos pacientes para realizar habilidades locomotoras e atividades da vida diária, e apresentaram efeitos positivos na percepção corporal, vitalidade e sintomas depressivos dos participantes, sendo que as vantagens biomecânicas dos joelhos protéticos avançados traduzem-se em melhorias significativas na vida diária dos usuários e no bem-estar psicológico.

A maior confiança que advém de ter um joelho protético mais estável e responsivo pode incentivar os usuários a se envolverem em uma gama mais ampla de atividades e situações sociais, e a capacidade de caminhar mais naturalmente e com menos esforço consciente pode reduzir a carga cognitiva do uso de prótese, permitindo que os usuários se concentrem em suas atividades e interações, em vez de controlarem seu membro protético.

Instruções futuras em Prosthetic Joelho Design

O campo do desenho protético do joelho continua evoluindo rapidamente, com pesquisadores e engenheiros trabalhando para atender as limitações remanescentes e desenvolver novas capacidades. Diversas direções promissoras estão surgindo que podem moldar o futuro da tecnologia protética do joelho.

Reconhecimento de Intenção e Controle Preditivo

Estudos futuros devem considerar a concepção de uma prótese eletromecânica transfemoral baseada em sinais eletromiográficos (EMG) para melhor prever a intenção e o controle do amputado de acordo com essa intenção. Os joelhos atuais do microprocessador utilizam principalmente estratégias de controle reacional, ajustando seu comportamento com base em dados de sensores que refletem o que está acontecendo atualmente.Os sistemas futuros podem incorporar estratégias de controle preditivo que antecipam as intenções do usuário e ajustarem o comportamento do joelho de forma proativa.

Uma abordagem para o reconhecimento de intenção envolve usar sensores eletromiográficos (EMG) para detectar sinais elétricos dos músculos do membro residual. Ao analisar padrões nesses sinais, os sistemas de controle poderiam potencialmente prever o movimento que o usuário pretende realizar antes de começar, permitindo que o joelho protético se prepare adequadamente. Isso poderia permitir um controle mais natural e responsivo, particularmente durante transições entre diferentes atividades, como mover-se de nível para escadaria.

Melhor eficiência energética e de energia

Embora os joelhos protéticos alimentados ofereçam vantagens funcionais significativas, seu alto consumo de energia e peso permanecem limitações significativas.Os futuros desenvolvimentos podem se concentrar na melhoria da eficiência dos atuadores, no desenvolvimento de melhores sistemas de armazenamento de energia e na incorporação de tecnologias de captação de energia que possam capturar e reutilizar energia do ciclo de marcha.

Alguns esforços de pesquisa estão explorando o uso de atuadores de rigidez variável e atuadores elásticos em série que podem armazenar e liberar energia de forma mais eficiente do que os sistemas convencionais de motor. Essas abordagens podem permitir joelhos protéticos movidos que fornecem assistência ativa ao consumir menos energia e adicionar menos peso do que os projetos atuais.

Integração com outros componentes protéticos

A maioria dos sistemas protéticos atuais trata o joelho, pé e soquete como componentes separados que são montados para criar uma prótese completa. Os sistemas futuros podem apresentar maior integração entre componentes, com estratégias de controle coordenadas que otimizam o desempenho de todo o membro protético em vez de componentes individuais.

Por exemplo, um sistema protético integrado pode coordenar o comportamento de um joelho microprocessador e uma prótese de tornozelo-pé com potência para proporcionar padrões de marcha mais naturais e melhorar o desempenho durante as atividades desafiadoras.O joelho e o tornozelo poderiam compartilhar dados do sensor e coordenar suas estratégias de controle para fornecer suporte e propulsão ideais ao longo do ciclo de marcha.

Personalização e Adaptação

Os joelhos protéticos atuais são tipicamente configurados por um protético baseado nas características e necessidades do usuário, com capacidade limitada de adaptação às mudanças ao longo do tempo. Os sistemas futuros podem incorporar algoritmos de aprendizado de máquina que permitem que o joelho protético se adapte continuamente às necessidades, preferências e capacidades de mudança do usuário.

Esses sistemas adaptativos poderiam aprender os padrões e preferências típicos de movimento do usuário, ajustando automaticamente seu comportamento para proporcionar desempenho ideal para cada indivíduo, podendo também detectar mudanças na marcha do usuário que poderiam indicar fadiga, dor ou alterações no membro residual, alertando o usuário ou protetista para potenciais problemas antes de se tornarem problemas graves.

Feedback Sensorial e Propriocepção

Uma das limitações fundamentais dos joelhos protéticos atuais é a falta de feedback sensorial ao usuário, embora a prótese possa ter sensores sofisticados que forneçam dados ao seu sistema de controle, o usuário normalmente não recebe informações sensoriais diretas sobre a posição ou carregamento de seu membro protético, o que requer que o usuário confie em pistas visuais e sensações indiretas transmitidas através do soquete para monitorar sua prótese.

Pesquisadores estão explorando várias abordagens para fornecer feedback sensorial aos usuários de próteses, incluindo estimulação vibrotátil, estimulação elétrica de nervos e técnicas de reinnervação muscular direcionadas.Essas tecnologias poderiam potencialmente restaurar algum grau de consciência proprioceptiva, permitindo que os usuários sentissem a posição e carga de seu joelho protético sem olhar para ele.Esse feedback sensorial aprimorado poderia melhorar o equilíbrio, reduzir a carga cognitiva e permitir um movimento mais natural e confiante.

Considerações sobre prescrição e seleção do usuário

Os critérios de prescrição e seleção dos joelhos protéticos dependem da interação entre o usuário e a prótese, que inclui cinco níveis funcionais de K0 a K4. O sistema Medicare Functional Classification Level (K-level) fornece um arcabouço para a adequação da tecnologia protética do joelho às capacidades e necessidades do usuário.

Os usuários do nível K0 não têm capacidade ou potencial para deambular ou transferir com segurança com ou sem assistência, e uma prótese não melhora sua qualidade de vida ou mobilidade. Os usuários do nível K1 têm a capacidade ou potencial de usar uma prótese para transferências ou deambulação em superfícies de nível em cadência fixa. Os usuários do nível K2 têm a capacidade ou potencial de deambulação com a capacidade de atravessar barreiras ambientais de baixo nível, como freios, escadas ou superfícies irregulares.

Os usuários do nível K3 têm capacidade ou potencial para deambulação com cadência variável e capacidade de atravessar a maioria das barreiras ambientais, podendo ter atividade profissional, terapêutica ou de exercício que exija uso protético além da locomoção simples. Os usuários do nível K4 têm capacidade ou potencial para deambulação protética que excede as habilidades básicas de deambulação, exibindo alto impacto, estresse ou níveis de energia.

A seleção de um joelho protético adequado envolve a adequação das capacidades do joelho ao nível funcional, estilo de vida e objetivos do usuário. joelhos protéticos mais avançados, particularmente dispositivos controlados por microprocessadores, são tipicamente prescritos para usuários de nível K3 e K4, que podem se beneficiar de suas capacidades aprimoradas. No entanto, pesquisas têm demonstrado que usuários de menor atividade podem se beneficiar de joelhos microprocessadores em termos de segurança e confiança.

Manutenção e Desempenho a Longo Prazo

O desempenho biomecânico de um joelho protético depende não só do seu desenho inicial e montagem, mas também da manutenção adequada ao longo de sua vida útil. Os joelhos protéticos são submetidos a milhões de ciclos de carga e devem operar de forma confiável em diversas condições ambientais, desde quente e úmido até frio e úmido.

A manutenção regular é essencial para garantir o desempenho ideal contínuo, incluindo inspeção periódica de componentes mecânicos para o desgaste, verificação e ajuste de alinhamento conforme necessário, e manutenção de sistemas hidráulicos ou pneumáticos. Para joelhos microprocessadores, atualizações de software podem estar disponíveis que melhoram o desempenho ou adicionam novas características, e sistemas de bateria requerem carregamento regular e eventual substituição.

Os usuários devem ser instruídos sobre o cuidado adequado de seu joelho protético, incluindo procedimentos de limpeza, sinais de potenciais problemas e quando procurar o serviço profissional. Muitos joelhos protéticos modernos incluem capacidades diagnósticas que podem alertar o usuário ou protético para potenciais problemas antes de resultar em falha ou comprometimento do desempenho.

O papel da reabilitação e da formação

Mesmo o joelho protético mais avançado não pode proporcionar uma função ótima sem a reabilitação e treinamento adequados. Os usuários devem aprender a trabalhar com o joelho protético, compreendendo suas capacidades e limitações e desenvolvendo as habilidades necessárias para usá-lo efetivamente em uma gama de atividades.

Programas de reabilitação para usuários de próteses do joelho normalmente avançam em várias etapas, começando com habilidades básicas como equilíbrio de pé e mudança de peso, avançando para o nível de caminhada no solo e, eventualmente, para atividades mais desafiadoras, como escadas, rampas e terreno desigual. Ao longo desse processo, fisioterapeutas trabalham com usuários para desenvolver padrões adequados de marcha, construir força e resistência, e ganhar confiança no uso da prótese.

Para os usuários que se deslocam para joelhos protéticos avançados, particularmente dispositivos controlados por microprocessadores, pode ser necessário treinamento adicional para aprender a aproveitar as capacidades aprimoradas do joelho, o que pode incluir aprender a descer rampas ou escadas de forma mais natural, adaptar-se às características de recuperação de tropeços do joelho ou usar aplicativos de smartphone para ajustar as configurações do joelho para diferentes atividades.

Conclusão

A compreensão dos princípios biomecânicos por trás do desenho do joelho protético revela a notável complexidade e sofisticação desses dispositivos.Do desafio fundamental de replicar o duplo papel do joelho natural de proporcionar estabilidade e mobilidade, aos intrincados sistemas de controle dos joelhos microprocessadores modernos, o design protético do joelho representa uma síntese de biomecânica, ciência de materiais, engenharia de controle e perícia clínica.

A evolução da tecnologia protética do joelho, desde dobradiças mecânicas simples até sofisticados dispositivos de microprocessador, melhorou drasticamente as capacidades funcionais e a qualidade de vida para indivíduos com amputação transfemoral. Os joelhos protéticos modernos podem se adaptar a velocidades variáveis de caminhada, proporcionar maior estabilidade em terreno desafiador, detectar e recuperar de tropeços e possibilitar atividades que antes eram difíceis ou impossíveis.

Os joelhos protéticos atuais, mesmo os mais avançados, não conseguem reproduzir totalmente as capacidades do joelho biológico. A ausência de geração de energia ativa, feedback sensorial e o sofisticado controle neuromuscular do membro natural continua a limitar a função protética. Os esforços de pesquisa e desenvolvimento contínuos estão abordando essas limitações através de atuadores com poder, sistemas de feedback sensorial e algoritmos de controle avançados baseados no reconhecimento de intenção e aprendizagem de máquina.

O futuro do projeto protético do joelho promete avanços contínuos, com tecnologias que proporcionam uma função cada vez mais natural e sem esforço. À medida que nosso entendimento da biomecânica se aprofunda e novas tecnologias emergem, os joelhos protéticos continuarão evoluindo, oferecendo aos usuários maior mobilidade, independência e qualidade de vida. O objetivo final permanece claro: desenvolver joelhos protéticos que replicam tão de perto a função natural que os usuários podem se mover em suas vidas cotidianas sem pensar conscientemente em suas próteses, focando em suas atividades, objetivos e relacionamentos.

Para aqueles interessados em aprender mais sobre tecnologia protética e reabilitação, recursos estão disponíveis através de organizações como a Coalizão Amputada e sociedades profissionais como a Associação Americana de Ortose e Protética. Essas organizações fornecem informações valiosas para usuários de próteses, profissionais de saúde e pesquisadores que trabalham para avançar no campo das próteses e melhorar os resultados para indivíduos com perda de membros.