Projeto: AnastomoRob - =
Desenvolvimento=20
de Tecnologias para Simula=E7=E3o de Anastomose =
Vascular Rob=F3tica=20
para Implante Minimamente Invasivo de Pr=F3teses=20
Endovasculares
Suporte:
Programa de Recursos Humanos para =C1reas =
Estrat=E9gicas -=20
RHAE - CNPq - Chamada MCT/CNPq 021/2004 -=20
RHAE-Inova=E7=E3o
Parceiros:
Universidade Federal de Santa Catarina - =
UFSC
Prof.=20
Dr. rer.nat. Aldo von Wangenheim
Nano Endoluminal S.A.
Eng=BA M.Sc. Ricardo =
Perez
LaRob =96 Laborat=F3rio de Rob=F3tica da =
UFSC
Prof. Dr. ing.=20
Daniel Martins
1. Objetivos
A Nano Endoluminal objetiva =
desenvolver um=20
modelo de pr=F3tese endovascular que n=E3o requer a =
utiliza=E7=E3o do=20
Stent (suporte de fixa=E7=E3o da pr=F3tese na parede =
arterial, feito=20
de n=EDquel-tit=E2nio). Esse desenvolvimento =E9 =
importante para a=20
continuidade da competitividade da empresa a m=E9dio =
prazo.
Para que se possa tornar pr=E1tico =
um modelo de=20
pr=F3tese desse tipo, =E9 necess=E1rio, ent=E3o, que =
se desenvolva um=20
mecanismo alternativo de fixa=E7=E3o da pr=F3tese =E0s =
paredes=20
internas da art=E9ria. Uma destas formas seria a =
fixa=E7=E3o atrav=E9s=20
de costura da pr=F3tese nas paredes do vaso.
Para tanto, =E9 necess=E1rio que se =
desenvolva um=20
dispositivo semiautomatizado que realize a anastomose =
(costura=20
intra-arterial) da pr=F3tese.
O investimento no desenvolvimento =
de um=20
mecanismo deste tipo =E9 muito grande, ressaltando =
ainda que n=E3o=20
existe nenhuma experi=EAncia deste tipo no Brasil. O =
objetivo=20
deste projeto =E9 a realiza=E7=E3o de um estudo de =
viabilidade de=20
desenvolvimento de um Dispositivo de Fixa=E7=E3o =
A=F3rtica=20
(Mecanismo Anastom=F3tico Intravascular) que realiza o =
processo=20
de anastomose (costura arterial com fixa=E7=E3o da =
pr=F3tese) de=20
maneira minimamente invasiva.
Para a realiza=E7=E3o deste estudo =
de viabilidade=20
ser=E1 desenvolvido, neste projeto inicial, um modelo =
rob=F3tico=20
te=F3rico de mecanismo de fixa=E7=E3o, processo de =
controle e uma=20
tecnologia para a simula=E7=E3o do processo de =
fixa=E7=E3o. Esta=20
tecnologia permitir=E1 um estudo mais apurado de =
viabilidade da=20
constru=E7=E3o de um mecanismo para tal prop=F3sito e =
ainda=20
aperfei=E7oar e otimizar suas caracter=EDsticas.
2. =C1reas do Projeto
- Cirurgia cardiovascular
- Processamento =
gr=E1fico
-=20
Tecnologia de pr=F3teses
- Elementos de =
m=E1quinas
-=20
Estruturas dos metais e ligas
- M=E9todos de =
s=EDntese e=20
otimiza=E7=E3o aplicados ao projeto mec=E2nico
- =
Teoria dos=20
mecanismos
3. Caracteriza=E7=E3o do problema e=20
justificativa
3.1. Problema
O aneurisma =E9 a dilata=E7=E3o de =
um segmento da=20
art=E9ria, similar a um bal=E3o, fazendo com que o seu =
di=E2metro se=20
torne muito maior do que o original. O aneurisma pode =
ocorrer=20
em qualquer art=E9ria do corpo, por=E9m , a maioria =
dos casos=20
acontece na aorta abdominal, logo abaixo das =
art=E9rias renais e=20
recebe o nome de Aneurisma da Aorta Abdominal =
(AAA).
Muitas s=E3o as teorias =
desenvolvidas nos=20
=FAltimos 15 anos, entretanto, a doen=E7a parece estar =
relacionada=20
a uma predisposi=E7=E3o gen=E9tica e ocorre em =
determinadas=20
fam=EDlias. Existem, contudo, outros fatores que =
contribuem para=20
o aparecimento da doen=E7a, como o h=E1bito do fumo, a =
press=E3o=20
alta, inflama=E7=F5es e arterosclerose.
Em geral, o AAA =E9 silencioso =
at=E9 que aconte=E7a=20
uma emerg=EAncia. Assim, o segmento da aorta que =
possui o=20
aneurisma pode se dilatar at=E9 romper, sem que tenha =
sido=20
detectado. Neste caso ocorre uma hemorragia interna, a =
qual=20
pode ser fatal, n=E3o havendo tempo do paciente chegar =
ao=20
hospital.
O maior indicativo da ruptura de um =
aneurisma=20
=E9 o seu tamanho. No momento que o aneurisma atinge =
um di=E2metro=20
entre 5 e 6 cm, a probabilidade de que rompa nos =
pr=F3ximos anos=20
=E9 de 50%. Assim a maioria dos cirurgi=F5es =
vasculares concorda=20
que aneurismas com estas dimens=F5es devem ser =
reparados, ao=20
menos que existam outros riscos que impe=E7am a =
interven=E7=E3o no=20
paciente. Com rela=E7=E3o aos aneurismas de menores =
dimens=F5es=20
existem opini=F5es distintas uma vez que o risco de =
ruptura =E9=20
pequeno. Alguns cirurgi=F5es acreditam que seja =
recomend=E1vel=20
reparar estes aneurismas, enquanto outros preferem=20
monitor=E1-los ao longo do tempo.
A opera=E7=E3o cl=E1ssica do =
aneurisma =E9 feita=20
atrav=E9s de uma incis=E3o na parede do abdome, =
chegando-se =E0=20
Aorta atrav=E9s da cavidade abdominal ou contornando a =
mesma. O=20
cirurgi=E3o coloca uma pin=E7a que interrompe =
temporariamente a=20
circula=E7=E3o por esta art=E9ria, abre o aneurisma, =
implanta o=20
enxerto no seu interior, costurando as extremidades =
superior e=20
inferior do material =E0 art=E9ria. Em seguida fecha o =
aneurisma=20
sobre o enxerto implantado e faz a sutura da =
parede.
O tratamento Endoluminal do =
aneurisma=20
consiste em fazer o mesmo procedimento realizado na =
opera=E7=E3o=20
cl=E1ssica, ou seja, colocar um enxerto de pol=EDmero =
no interior=20
do aneurisma. Entretanto o procedimento =E9 realizado =
sem a=20
abertura do abdome. No tratamento endoluminal, o =
enxerto (=20
pr=F3tese endovascular ) montado em um cat=E9ter =E9 =
implantado=20
atrav=E9s das art=E9rias que levam o sangue para as =
pernas, por=20
uma incis=E3o na virilha.
Nos casos em que o tratamento =
endoluminal =E9=20
recomendado, a corre=E7=E3o do aneurisma =E9 executada =
em um tempo=20
muito menor. O paciente =E9 operado sob anestesia =
peri-dural ou=20
local, ao inv=E9s de anestesia geral, e, geralmente, =
n=E3o=20
necessita de transfus=E3o de sangue. O per=EDodo =
p=F3s-operat=F3rio =E9=20
mais curto e menos desconfort=E1vel e o paciente pode=20
alimentar-se poucas horas ap=F3s o procedimento. Como =
as=20
incis=F5es s=E3o menores, o p=F3s operat=F3rio =E9 =
mais c=F4modo,=20
permitindo que o paciente se levante mais cedo, o que =
=E9=20
importante no caso de pacientes idosos, para prevenir=20
complica=E7=F5es pulmonares.
Deseja-se obter um mecanismo de =
fixa=E7=E3o da=20
pr=F3tese nas paredes arterias de forma minimamente =
invasiva sem=20
utiliza=E7=E3o de suporte met=E1lico interno na =
pr=F3tese. Abaixo,=20
pode-se observar uma pr=F3tese fixada na parede =
arterial com a=20
utiliza=E7=E3o de um stent, juntamente com a =
reconstru=E7=E3o=20
tridimensional da art=E9ria para a constru=E7=E3o da =
pr=F3tese sob=20
medida para o paciente em quest=E3o, e, logo ap=F3s, =
alguns=20
modelos de pr=F3tese adotados e patenteados.
O maior problema apresentado por =
pr=F3teses=20
endovasculares com stent =E9 a fadiga do material =
met=E1lico da=20
pela estrutura met=E1lica, normalmente de uma liga de=20
n=EDquel-tit=E2nio. Em fun=E7=E3o dessa fadiga, podem =
ocorrer, v=E1rios=20
anos ap=F3s o implante, quebras do material.
Uma pr=F3tese sem estrutura =
met=E1lica=20
apresentar=E1 uma durabilidade e confiabilidade muito =
superior=20
em rela=E7=E3o aos modelos atualmente em uso. No =
entanto, um=20
estudo de mecanismos de fixa=E7=E3o da pr=F3tese deve =
ser realizado=20
e, posteriormente, simulado para possibilitar uma =
posterior=20
produ=E7=E3o em baixa escala para testes reais.
3.2. Justificativas
A Nano Endoluminal =E9 hoje um =
fabricante de=20
pr=F3teses endoluminais, com tecnologia pr=F3pria, =
estabelecida no=20
mercado e com longo hist=F3rico de atividades =
tecnol=F3gicas de=20
P&D. Para a manuten=E7=E3o e amplia=E7=E3o de seu =
espa=E7o no=20
mercado nacional e internacional, =E9 necess=E1rio que =
a Nano=20
Endoluminal continue o desenvolvimento de t=E9cnicas =
que=20
aperfei=E7oem os m=E9todos obtidos at=E9 o =
momento.
Uma das =E1reas de desenvolvimento =
tecnol=F3gico,=20
a m=E9dio prazo, em que se precisa investir para =
garantir a=20
competitividade no mercado nacional e internacional =
nos=20
pr=F3ximos 10 anos =E9 a moderniza=E7=E3o do processo =
de implante de=20
pr=F3teses endoluminais atrav=E9s de procedimentos de =
anastomose=20
(costura) robotizados ou semi-automatizados, a serem=20
executados no interior das art=E9rias de grosso =
calibre.
N=E3o existe nenhuma atividade de =
P&D no=20
Brasil nesta =E1rea e nem em nenhuma outra =E1rea =
correlata da=20
Cirurgia Auxiliada por Rob=F4. Para que se possa =
desenvolver uma=20
base tecnol=F3gica capaz de entrar em fase de =
valida=E7=E3o cl=EDnica=20
na pr=F3xima d=E9cada, =E9 necess=E1rio que se iniciem =
agora=20
atividades de P&D tecnol=F3gico para obten=E7=E3o =
de tecnologias=20
de automa=E7=E3o de anastomose endovascular.
Este projeto prev=EA a execu=E7=E3o =
de um primeiro=20
conjunto de atividades de P&D em parceria com dois =
grupos=20
de pesquisa da UFSC, cada qual com reconhecida =
expertise nas=20
suas respectivas =E1reas: O Projeto Cyclops/LISHA, =
reconhecido=20
grupo de pesquisas em processamento de imagens =
m=E9dicas e=20
reconstru=E7=E3o 3D de dados de imagens =
radiol=F3gicas, e o LaRob,=20
um reconhecido grupo de pesquisas na =E1rea de =
rob=F3tica.
Mesmo que, ao final do projeto, se =
conclua=20
que o dispositivo almejado ser=E1 excessivamente =
complexo para=20
ser vi=E1vel, todos os desenvolvimentos e resultados=20
intermedi=E1rios aqui obtidos ser=E3o de suma =
import=E2ncia para=20
todos os tr=EAs parceiros, pois ter=E3o outras =
aplica=E7=F5es dentro=20
de suas atividades de P&D conjuntas.
4. Metodologia
4.1. Metodologia de S=EDntese de=20
Mecanismos
O processo de s=EDntese de =
mecanismo=20
para realiza=E7=E3o de anastomose ser=E1 detalhado em =
suas partes=20
funcionais. 4.1.1 Levantamento de tarefas e =
movimentos
O processo de anastomose ser=E1 =
estudado em=20
suas caracter=EDsticas b=E1sicas e todas as t=E9cnicas =
de=20
anastomose, tais como colagem, grampeamento, suturas e =
formas=20
heterodoxas de fixa=E7=E3o ser=E3o levantadas. Para as =
t=E9cnicas=20
levantadas ser=E3o analisados seus movimentos e =
mobilidades=20
necess=E1rios.
4.1.2 S=EDntese do tipo
Com o levantamento anterior ser=E3o listados os =
v=E1rios tipos=20
de mecanismos e sistemas de acionamento vi=E1veis para =
opera=E7=F5es=20
intra-vasculares
4.1.3 S=EDntese do n=FAmero
Uma vez definido tipo tem-se de =
definir a=20
complexidade da cadeia usando t=E9cnicas de =
enumera=E7=F5es de=20
cadeias cinem=E1ticas
4.1.4 S=EDntese dimensional
Por fim tem-se de determinar as =
dimens=F5es=20
reais do mecanismo e sistema de acionamento que =
executar=E3o as=20
tarefas relacionadas =E0 anastomose. Para isto pode-se =
usar=20
t=E9cnicas cl=E1ssicas da s=EDntese de mecanismos, =
tais como a=20
s=EDntese de Burmester ou t=E9cnicas mais gerais e =
mais complexas=20
como a otimiza=E7=E3o por algoritmos gen=E9ticos.
A escolha da t=E9cnica certa =
depende das=20
decis=F5es tomadas nos itens anteriores. V=E1rias =
t=E9cnicas de=20
s=EDntese e an=E1lise de mecanismos e rob=F4s v=EAm =
sendo=20
desenvolvidas no Laborat=F3rio de Rob=F3tica, por=E9m =
possivelmente=20
algumas t=E9cnicas mais particulares ter=E3o de ser =
adaptadas para=20
os mecanismos sintetizados
4.2 Simula=E7=E3o de mecanismos para=20
anastomose
Uma vez sintetizado o mecanismo, =
=E9 necess=E1ria=20
uma s=E9rie de testes e simula=E7=F5es de seu =
comportamento antes da=20
confec=E7=E3o de qualquer prot=F3tipo.
As simula=E7=F5es s=E3o importantes =
mesmo durante o=20
processo de s=EDntese anterior. Para tal fim =
usar-se-=E3o=20
ferramentas de desenvolvimento CAD/CAE existentes no=20
laborat=F3rio de Rob=F3tica do Departamento de =
Engenharia Mec=E2nica=20
da UFSC.
Os softwares de CAD (Mechanical =
Desktop,=20
ProE) permitem um modelamento param=E9trico dos =
mecanismos e de=20
suas estruturas. Os softwares de CAE ser=E3o usados =
para uma=20
an=E1lise mais detalhada do funcionamento.
Pode-se fazer an=E1lise din=E2mica =
(for=E7as e=20
momentos existentes) usando plug-ins de sistemas =
multicorpos=20
(p. ex. ADAMS, ProMechanica) bem como an=E1lise =
estrutural para=20
verifica=E7=E3o de resist=EAncia do material (p. ex. =
ANSYS, NASTRAN)=20
.
Se houver necessidade pode-se =
modelar a=20
intera=E7=E3o fluido-estrutura do sistema (no caso =
Stent, sistemas=20
de acionamento, art=E9ria e fluxo sangu=EDneo).
4.3. =
Representa=E7=F5es=20
computacionais para simula=E7=E3o de opera=E7=E3o=20
intra-vascular
A metodologia de desenvolvimento da =
parte de=20
representa=E7=E3o tridimensional e simula=E7=E3o de =
opera=E7=E3o do=20
mecanismo em intera=E7=E3o com a art=E9ria ser=E1 =
dividida em 4 fases.=20
Descreveremos estas fases abaixo, indicando as =
experi=EAncias=20
pr=E9vias ou as bases cient=EDfico-tecnol=F3gicas de =
cada fase,=20
quando oportuno.
4.3.1. Refino das =
T=E9cnicas de=20
Representa=E7=E3o Realista de Dados 3D
Nesta etapa busca-se o refino das =
t=E9cnicas de=20
representa=E7=E3o de dados 3D de estruturas =
anat=F4micas para=20
permitir visualiza=E7=E3o e manipula=E7=E3o em tempo =
real. Ser=E3o=20
utilizados, nesta etapa, resultados obtidos em uma =
parceria=20
anterior entre LISHA/UFSC e Nano Endoluminal no =
Projeto=20
02-RHAE-01/2000-01/01-01-105 =96 Endoluminal Designer =
-=20
Desenvolvimento e Valida=E7=E3o do Projeto e =
Fabrica=E7=E3o de=20
Pr=F3teses Endovasculares para agiliza=E7=E3o do =
processo de=20
visualiza=E7=E3o e navega=E7=E3o.
No projeto Endoluminal Designer, =
buscava-se=20
uma representa=E7=E3o geom=E9trica da parede interna =
da art=E9ria, o=20
que possibilita a constru=E7=E3o de pr=F3teses sob =
medida. No=20
entanto, uma representa=E7=E3o geom=E9trica n=E3o =E9 =
suficiente para a=20
modelagem das propriedades das paredes arteriais, o =
que faz=20
necess=E1ria a utiliza=E7=E3o de estruturas =
alternativas para=20
representa=E7=E3o de dados 3D juntamente com outras=20
propriedades.
Como alternativa para esta =
representa=E7=E3o, o=20
LISHA tem grande experi=EAncia em manipula=E7=E3o de =
octrees, sendo=20
estas =E1rvores para indexa=E7=E3o de dados =
geom=E9trico-espaciais=20
(dos Santos et. al., 2004). A seguir, uma =
representa=E7=E3o por=20
octree do c=E9rebro humano =E9 mostrada. Esta =
representa=E7=E3o =E9=20
utilizada no tratamento de epilepsia, aonde se deseja =
obter o=20
=93descascamento=94 das camadas do c=E9rebro em fatias =
curvilineares.
4.3.2. Modelagem e =
Simula=E7=E3o das=20
Propriedades Mec=E2nicas do Tecido =
Arterial
Atrav=E9s da disponibilidade de uma =
estrutura=20
de representa=E7=E3o de dados geom=E9trico-espaciais =
juntamente com=20
outras informa=E7=F5es, entra-se na etapa de =
atribui=E7=E3o de valores=20
para as regi=F5es representadas. Esses valores s=E3o =
referentes =E0s=20
propriedades mec=E2nicas do tecido arterial e =
fornecer=E3o=20
informa=E7=E3o para a manipula=E7=E3o da estrutura =
representada de=20
forma a se assemelhar, o m=E1ximo poss=EDvel, =E0 =
estrutura=20
real.
Tal modelagem =E9 necess=E1ria para =
que se possa=20
prever o comportamento das estruturas no momento da =
ativa=E7=E3o=20
do dispositivo anastom=F3tico. Atrav=E9s dessa =
modelagem obt=EAm-se,=20
tamb=E9m, a possibilidade de realiza=E7=E3o de =
planejamentos=20
cir=FArgicos confi=E1veis e espec=EDficos para cada=20
paciente. 4.3.3. Desenvolvimento de =
Interface de=20
Visualiza=E7=E3o
Para a navega=E7=E3o e =
visualiza=E7=E3o =E1gil tanto da=20
simula=E7=E3o do Dispositivo de Fixa=E7=E3o A=F3rtica =
como das=20
estruturas arteriais =E9 necess=E1rio o =
desenvolvimento de uma=20
interface de visualiza=E7=E3o que tenha =
caracter=EDsticas de=20
performance e agilidade para tempo real.
Tal interface ser=E1 utilizada =
tanto para a=20
simula=E7=E3o como para o planejamento cir=FArgico, =
fazendo uso das=20
propriedades previamente indexadas nas etapas=20
anteriores. 4.3.4. Manipula=E7=E3o das =
Estruturas 3D do=20
Rob=F4 para Simula=E7=E3o do Mecanismo e Processo de=20
Anastomose
Finalizando, ser=E1 feita a =
modelagem=20
computacional de dispositivos de fixa=E7=E3o da =
pr=F3tese =E0 parede=20
arterial para a simula=E7=E3o. Nesta etapa ser=E3o =
coletados dados=20
referentes =E0 efici=EAncia dos mecanismos e de sua =
intera=E7=E3o com=20
o tecido arterial, os quais servir=E3o para =
otimiza=E7=E3o dos=20
mecanismos.
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