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Publicação
Optimization of a low-cost body-powered 3D-printed hand prosthesis
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 5.18 MB | Adobe PDF |
Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
As complexidades enfrentadas ao viver com malformações na mão, especialmente para crianças,
são verdadeiramente diversas e profundas. Além das limitações físicas, existem encargos emocionais e
financeiros, especialmente no contexto socioeconómico português, onde adquirir dispositivos
prostéticos pode representar um peso considerável para as famílias, tornando-se um desafio ainda mais
significativo. Esta pressão financeira é agravada pelo rápido crescimento das crianças, tornando os
investimentos em próteses arriscados, devido à rápida obsolescência dos dispositivos. Além disso, há
sempre uma incerteza quanto à adaptação das crianças às próteses.
Iniciativas como a e-Nable e a Patient Innovation visam enfrentar estes desafios ao fornecerem
soluções de prótese acessíveis, através da disponibilização de designs open source e do incentivo à
colaboração, promovendo o sentimento de comunidade entre doentes, cuidadores e profissionais.
Através do projeto "Dar a Mão", especificamente direcionado a crianças portuguesas com idades entre
os 3 e 12 anos, a Patient Innovation oferece próteses gratuitas por meio da tecnologia de impressão 3D.
Embora cerca de 15 próteses tenham sido fornecidas através deste projeto, contratempos foram
relatados, nomeadamente o facto de as crianças abandonarem as próteses rapidamente. Isto impulsionou
uma determinação para alterar o modelo atualmente mais frequentemente utilizado no projeto, a e-Nable
Phoenix Hand v3.
O principal objetivo do projeto e-Nable consiste em disponibilizar próteses para a mão impressas
em 3D de forma economicamente viável, que sirvam primordialmente como auxílios em atividades
cotidianas. Além disso, possibilitam que as crianças tenham um primeiro contacto com uma prótese,
permitindo assim avaliar se se adaptam efetivamente a ela, ou se preferem continuar a viver com a sua
malformação, evitando investimentos dispendiosos em próteses que, eventualmente, possam ser
imediatamente rejeitadas. Ao proporcionar esta primeira experiência com uma prótese, aumenta-se
também a experiência da criança e, potencialmente, a probabilidade de aceitação de uma futura prótese
definitiva. Deste modo, o aprimoramento do conforto e da universalidade do modelo oferecido pelo
projeto Dar a Mão tem um impacto direto na acessibilidade do mesmo, melhorando a experiência global
das crianças.
Reconhecendo a importância do feedback do utilizador, os objetivos do projeto incluíram
desenvolver um questionário abrangente, direcionado a antigos utilizadores do modelo original, para
reunir feedback. Houve uma tentativa de inovação quanto aos métodos de contacto utilizados, de modo
a aumentar o envolvimento e taxa de resposta dos participantes. Apesar disto, a taxa de resposta ao
questionário foi modesta, o que reforça a dificuldade em obter resposta e estabelecer uma boa ligação
com os participantes neste projeto, e a necessidade de continuar a inovar nos métodos de comunicação
utilizados.
A análise do feedback sobre o Modelo Original (OM) destacou aspetos positivos e áreas críticas
com necessidade de melhoria no design da prótese. Os usuários apreciaram o design leve e o período de
adaptação rápida, mas foram levantadas preocupações quanto à durabilidade, funcionalidade e conforto.
Estas preocupações, tais como a quebra dos elásticos de borracha e o desconforto causado pela rigidez
e formato do modelo, destacaram a necessidade de acomodar perfis de usuários diversos durante o
design da prótese.
O Primeiro Modelo Alterado (FAM) visou abordar estas questões, ao incorporar o feedback dos
utilizadores e a literatura existente. As mudanças incluíram a substituição dos elásticos de borracha por
elásticos de tecido de poliéster, a tentativa de implementação de um novo sistema de calibração para os
dedos, e o redesenho da forma da palma para lhe atribuir uma maior universalidade e aumentar o
conforto. Além disto, a mudança para um material de revestimento mais respirável e a incorporação de
aberturas no topo da palma visaram abordar as preocupações com o conforto e estética. Durante a fase inicial deste projeto, uma família interessada em receber uma prótese através da
Patient Innovation mostrou interesse em participar neste projeto. Isto levou a que fosse possível testar
os modelos alterados com um participante. No caso do FAM, este período de testagem levou a que
fossem reconhecidas várias limitações. Nomeadamente, desafios como o contacto indesejado entre os
fios de tensão e pele do participante, e o não funcionamento do novo sistema de calibração,
demonstraram o impacto de aumentar a complexidade do sistema e de priorizar a redução de custos.
Além disto, o processo de impressão e montagem do FAM destacou a importância da precisão durante
o processo de medição da anatomia do participante, da escolha da tecnologia de impressão e da seleção
do filamento para que se assegure um ajuste personalizado e o desempenho pretendido. A personalização
dos parâmetros de impressão durante o processo de slicing permitiu a otimização da eficiência da
impressão, no entanto, foram encontradas dificuldades diversas durante o processo de remoção de
suportes, o que indicou a persistência da necessidade de melhoria no design do modelo e na seleção
destes parâmetros.
O processo de teste com o participante potencializou observações valiosas sobre a funcionalidade
das alterações implementadas. A adição de uma segunda fita na palma e o aprimoramento da aderência
nas pontas dos dedos melhorou a usabilidade e o desempenho do dispositivo. No entanto, a cessação da
sua utilização devido a desconforto destacou a complexidade subjacente ao processo de aceitação de
uma prótese.
Deu-se continuidade ao processo iterativo, prosseguindo-se com o design do Segundo Modelo
Alterado (SAM), onde se continuou a abordar o feedback do utilizador e as observações relativas à
iteração anterior, procedendo-se, nomeadamente, à alteração do design da palma e do sistema de
calibração dos dedos. As utilizações de ferramentas de design automático representaram uma forma
inovadora de tornar o design mais ergonómico.
A prototipagem iterativa subsequente facilitou a implementação de melhorias específicas às
necessidades encontradas, visando otimizar tanto a funcionalidade quanto a durabilidade. No entanto, a
obtenção de um equilíbrio ótimo entre a ergonomia e a resistência do modelo permaneceu um desafio
complexo. Apesar da resiliência deste processo, durante a montagem do SAM surgiram problemas
inesperados nas zonas de articulação, destacando a importância de submeter os protótipos a testes que
simulem situações extremas, para identificar vulnerabilidades de forma abrangente. Em suma,
identificou-se a existência de um compromisso entre a espessura e a abertura da peça da palma, visto
que não era possível criar um modelo que fosse simultaneamente aberto e fino e suficientemente
resistente. Deste modo, a decisão foi reter o design mais espesso utilizado no FAM, mantendo-se a
funcionalidade e universalidade.
O Modelo Final (FM) incorporou, então, os elementos bem-sucedidos das iterações anteriores,
incorporados no design do OM. Durante o teste com o participante, foi necessário abordar questões
como o rompimento de um dos fios de tensão e o desconforto. Apesar de estas questões terem sido
abordadas e solucionadas com sucesso durante a sessão de teste, a motivação do participante para usar
o dispositivo diminuiu ao longo do seguinte mês de utilização. Foi reportado que a persistência de algum
desconforto durante a utilização e a impossibilidade de colocar o dispositivo de forma independente
foram as principais causas da perda de motivação para continuar a utilizar o dispositivo.
Foram ainda abordadas algumas considerações finais. Quanto à idade do participante, a pesquisa
sugere que a introdução precoce de próteses na infância é crucial para a aceitação e desenvolvimento
funcional, com taxas de rejeição mais altas quando a introdução é feita após os 5 anos de idade. Quanto
às fitas de velcro, foram analisadas as diferenças de custo entre fabricar as mesmas e comprar as mesmas
já fabricadas, de onde se observou que o primeiro cenário é vantajoso em termos monetários. Proceder
com o fabrico independente das fitas de velcro permite também a sua personalização, e garante o seu
funcionamento com o design específico da prótese. No entanto, é necessário considerar a dificuldade
que o processo de fabrico das fitas de velcro acresce ao processo de montagem, e avaliar se o mesmo é vantajoso. Dar prioridade à durabilidade e à facilidade de montagem pode superar as economias de
custo, já que otimiza a experiência geral do utilizador e do fabricante.
No geral, a metodologia do projeto enfatiza uma abordagem centrada no utilizador, onde através
de refinamentos de design iterativos, informados pelo feedback dos utilizadores, fornecem-se soluções
mais eficazes e centradas nas necessidades únicas dos destinatários pediátricos.
As alterações implementadas com sucesso, como a implementação de um novo sistema para os
elásticos dos dedos e o redesenho da peça da palma, representam um passo em frente no que toca à
melhoria do modelo distribuído pela Patient Innovation através do projeto Dar a Mão. Os desafios que
persistem, como o ligeiro desconforto que permaneceu durante a utilização do FM e a impossibilidade
de colocar o dispositivo independentemente, ajudam a indicar o caminho para aquelas que devem ser as
alterações futuras. Adicionalmente, o sistema de calibração concebido para viabilizar a calibração
individualizada de cada dedo, embora não tenha alcançado o sucesso esperado, representa igualmente
um avanço significativo.
Em conclusão, o processo de design iterativo visou melhorar a funcionalidade, conforto e
satisfação do usuário, através de refinamentos contínuos. Embora desafios tenham persistido,
especialmente em garantir a aceitação a longo prazo pelo participante, o projeto demonstrou um
compromisso em atender às diversas necessidades e preferências dos utilizadores.
Living with hand malformations presents multifaceted challenges, especially for children, impacting their physical abilities and psychological well-being. In Portugal, financial constraints exacerbate these challenges, with many families unable to afford prosthetic devices due to their prohibitive costs and the rapid growth of children, rendering them quickly obsolete. Initiatives like the ones implemented by the e-Nable community and Patient Innovation strive to address these issues by providing innovative and open-source 3D printed prosthetic solutions, as it is exemplified by the "Dar a Mão" (Give a Hand) project. However, despite its novelty, this project is not without flaws, as evidenced by the high rates of prosthesis rejection among the children who receive them through it. This thesis focused on altering the prosthetic model provided by the Give a Hand Project through a user-centred design approach. A comprehensive feedback questionnaire, informed by novel communication methods, was developed and implemented for previous users. Integrating the feedback, the 3D model was refined using CAD techniques, and the assembly kit was improved. The first altered model was 3D printed and underwent user testing, providing invaluable insights into its usability and functionality. Subsequent iterations, informed by this feedback, led to further refinements and testing. This iterative process continued until the final model was achieved, printed, and tested with the participant, ensuring the design modifications effectively addressed user needs and preferences. By systematically gathering feedback and refining the design iteratively, the aim was to take a step forward into creating a prosthetic solution better suited to the diverse needs of its users. Through these efforts, this thesis not only aimed to enhance the quality of life for children with hand malformations in Portugal but also contributed to the broader advancement of prosthetic innovation.
Living with hand malformations presents multifaceted challenges, especially for children, impacting their physical abilities and psychological well-being. In Portugal, financial constraints exacerbate these challenges, with many families unable to afford prosthetic devices due to their prohibitive costs and the rapid growth of children, rendering them quickly obsolete. Initiatives like the ones implemented by the e-Nable community and Patient Innovation strive to address these issues by providing innovative and open-source 3D printed prosthetic solutions, as it is exemplified by the "Dar a Mão" (Give a Hand) project. However, despite its novelty, this project is not without flaws, as evidenced by the high rates of prosthesis rejection among the children who receive them through it. This thesis focused on altering the prosthetic model provided by the Give a Hand Project through a user-centred design approach. A comprehensive feedback questionnaire, informed by novel communication methods, was developed and implemented for previous users. Integrating the feedback, the 3D model was refined using CAD techniques, and the assembly kit was improved. The first altered model was 3D printed and underwent user testing, providing invaluable insights into its usability and functionality. Subsequent iterations, informed by this feedback, led to further refinements and testing. This iterative process continued until the final model was achieved, printed, and tested with the participant, ensuring the design modifications effectively addressed user needs and preferences. By systematically gathering feedback and refining the design iteratively, the aim was to take a step forward into creating a prosthetic solution better suited to the diverse needs of its users. Through these efforts, this thesis not only aimed to enhance the quality of life for children with hand malformations in Portugal but also contributed to the broader advancement of prosthetic innovation.
Descrição
Tese de Mestrado, Engenharia Biomédica e Biofísica, 2024, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
Palavras-chave
Impressão 3D Malformações da mão CAD de código aberto Design iterativo Rejeição de próteses em crianças Teses de mestrado - 2024