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MINISTRIO DA EDUCAOUNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

MEDIO DE DESLOCAMENTO ATRAVS DE SENSORESMAGNETORESISTIVOS APLICADA AO MOVIMENTO MANDIBULAR

JEANINE MARCHIORI DA LUZ

TESE PARA OBTENO DO TTULO DE DOUTOR EM ENGENHARIA

Porto Alegre, 20 de dezembro de 2002

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MEDIO DE DESLOCAMENTO ATRAVS DE SENSORESMAGNETORESISTIVOS APLICADA AO MOVIMENTO MANDIBULAR

por

JEANINE MARCHIORI DA LUZ

Mestre em Engenharia Eltrica

Dissertao submetida ao Corpo Docente do Programa de Ps-Graduao em EngenhariaMecnica, PROMEC, da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul,como parte dos requisitos necessrios para a obteno do Ttulo de

Doutor em Engenharia

rea de Concentrao: Mecnica dos Slidos

Orientador: Prof. Dr. Milton Antnio Zaro

Comisso de Avaliao:

Prof. Dr. Dario Francisco Guimares de Azevedo

Prof. Dr. Ignacio Iturrioz

Prof. Dr. Marco Tllio Menna Barreto de Vilhena

Prof. Dr. Rosa Leamar Dias Blanco

Prof. Dr. Alberto TamagnaCoordenador do PROMEC

Porto Alegre, 20 de dezembro de 2002.

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DEDICATRIA

Ao Lucas, Jeancarlo e Marco

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AGRADECIMENTOS

A generosidade uma das maiores virtudes e a injustia uma das piores atitudes dos sereshumanos.

O desenvolvimento deste trabalho foi longo e envolveu instituies, pessoas e recursos.Preocupada em no ser injusta e para demonstrar o meu reconhecimento, registro os meusagradecimentos:

- Pontifcia Universidade Catlica do Rio Grande do Sul pela oportunidade deste crescimento profissional;

- Universidade Federal do Rio Grande do Sul, aos professores do PROMEC, ao pessoal deapoio, ao Paulo e a Helen;

- Ao professor Milton Antnio Zaro pela orientao, pacincia, apoio e estmulo constantes;

- Ao IPCT Instituto de Pesquisa Cientficas e Tecnolgicas da PUCRS que forneceu todo osuporte necessrio na rea de Mecnica de Preciso e Eletrnica, atravs do Engenheiro CarlosSchossler, Mario Vian e Glademir da Silva Pinto cuja participao e comprometimento foram

fundamentais para a obteno dos resultados prticos;- Aos professores da PUCRS Lus Fernando Alves Pereira e Pablo Spiller, pelo importante apoiona infraestrutura de aquisio de dados; Lus Alberto Pereira pelo apoio computacional; LusGustavo Longhi, pelo auxlio na definio do mtodo de identificao e ao colega e amigoFlvio Becon Lemos pela solidariedade demonstrada no decorrer do trabalho.

- A direo da FENG, a coordenao do DEE e aos colegas professores e funcionrios da

PUCRS pela compreenso e apoio dados manifestados de diversas maneiras e durante todo otempo;

- Aos amigos pelo conforto e estmulo dedicados;

- Ao carinho dos meus pais Almir e Ieda, dos meus irmos Josiane, Jeferson, Josele e James quesempre acreditaram e estiveram comigo;

- Ao Lucas, Jeancarlo e Marco, pela presena na minha vida, pela pacincia e amor.

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RESUMO

Neste trabalho apresentado um mtodo para medio de deslocamentos sem contato,utilizando sensores magnetoresistivos, os quais so sensibilizados pela variao do campomagntico produzido por um im permanente em deslocamento no espao. Os sensoresmagnetoresistivos possuem, internamente, uma ponte de Wheathestone, onde a resistncia variaconforme varia o campo magntico, de modo que o circuito mais indicado para este caso umamplificador e um filtro para cada sensor. O principal objetivo do trabalho a obteno de umatcnica para medir deslocamentos sem contato, e estender os resultados para medida demovimentos mandibulares. A montagem consiste de duas placas de celeron, distantes 30mm umada outra e unidas por parafusos de polietileno. Em cada uma destas placas foram dispostosquatro sensores, num total de oito, sendo que para cada um deles existe um circuito deamplificao e filtragem do sinal de sada. Sob uma chapa de alumnio foi fixado esteequipamento e uma mesa de calibrao em 3D, a qual, aps a obteno da matriz de calibrao,foi substituda por um emulador de movimento mandibular. Os parmetros do modelo foramestimados atravs do mtodo dos mnimos quadrados com auxlio do software Matlab, Release12. Este software tambm foi utilizado para o sistema de aquisio de dados durante a realizaodos experimentos. A impreciso dos resultados obtidos na determinao dos deslocamentos, estna ordem de dcimos de milmetros. O trabalho apresenta, tambm, o mapeamento do campomagntico do magneto utilizado nos experimentos atravs do software FEM2000 Mtodo deelementos finitos aplicado ao eletromagnetismo.

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ABSTRACT

In this work we present a method to measure the movement in three dimensions (3D) without

contact, using magnetoresistive sensors. These sensors are activated by the variation of a

magnetic field from a permanent magnet moving around the spatial region of interest. The

magnetoresistive sensor has a Wheathestone bridge built in, where the resistance varies

according to the magnetic field. Thus, the indicated circuit for this case is composed by an

amplifier and a filter for each sensor.

The main objective of the work is the attainment of a technique to measure systems withoutcontact and to extend the results to measure mandible movements. The experimental system is

composed by two celeron boards 30 mm apart connected by polythene screw. Four sensors were

allocated on each board, totalling 8 sensors in the whole system. For each sensor, an

amplification and filtering circuit was inserted. This equipment was assembled on an aluminium

metal sheet fixed and a 3D calibration table, which after to get the calibration matrix, was

replaced by a emulator of mandibular movement. The parameters of the empirical model were

estimated using the classical discrete least square method with the help of the software

MATLAB, Release 12. This software was also used for data acquisition during the

experiments. The results of the parameter estimation were accurate to tenth of a milimeter.

This work also shows the distribution of the magnetic field of the magnet used to activate the

sensors, using Finite Element Methods - Fem2000.

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NDICE

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CAPTULO I..................................................................................................................................1INTRODUO .......................................................................................................................11.1 - CONSIDERAESGERAIS................................................................................................11.2 - OBJETIVO........................................................................................................................21.3 - MOTIVAO DO TRABALHO............................................................................................31.4 - ORGANIZAO DOTRABALHO........................................................................................4

CAPTULO II ................................................................................................................................6REVISO BIBLIOGRFICA ................................................................................................6

CAPTULO III ............................................................................................................................16A NATOMIAFUNCIONAL E A BIOMECNICA DO SISTEMA MASTIGATRIO.................................163.1 - I NTRODUO................................................................................................................16

3.2 - COMPONENTESESQUELTICOS DOSISTEMAMASTIGATRIO.....................................163.2.1 - Articulao Temporo-Mandibular..................................................................183.3 - MSCULOS DAMASTIGAO.......................................................................................193.4 - BIOMECNICA DAARTICULAOTEMPORO-MANDIBULAR .........................................21

3.4.1 - Disfunes do Conjunto Temporo-Mandibular .............................................243.4.2 - Sinais e Sintomas das Disfunes Temporo-Mandibular...............................243.4.3 - Causas das Disfunes Temporo-Mandibulares ............................................26

CAPTULO IV.............................................................................................................................29SISTEMA DE MEDIO UTILIZANDO SENSORES MAGNETORESISTIVOS .....................................294.1 - I NTRODUO................................................................................................................294.2 - MONTAGEM DO SISTEMA ORIGINAL..............................................................................30

4.2.1 - Disposio dos sensores .................................................................................304.2.2 - Circuito de condicionamento..........................................................................31

4.3 - MONTAGEM ATUAL.......................................................................................................324.3.1 - Primeira montagem ........................................................................................32

4.3.1.1 - Disposio dos sensores..................................................................324.3.1.2 - Circuito de condicionamento...........................................................33

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4.3.2 - Segunda montagem ........................................................................................354.3.2.1 - Disposio dos sensores..................................................................354.3.2.2 - Segundo circuito de condicionamento ............................................364.3.2.3 - Terceiro circuito de condicionamento.............................................38

4.4 - AQUISIO DE DADOS...................................................................................................424.4.1 - Sistema original..............................................................................................424.4.2 - Sistema atual...................................................................................................42

4.5 - METODOLOGIA UTILIZADA............................................................................................424.5.1 - Torre de calibrao.........................................................................................434.5.2 - Emulador de movimento mandibular .............................................................474.5.3 - Sistema completo ...........................................................................................53

4.6 - MONTAGEM DA MATRIZ DE CALIBRAO.....................................................................57

4.7 - CONCLUSO..................................................................................................................58- Aproximao de placas .............................................................................................58- Mudana do ngulo entre os sensores .......................................................................58- Tipos de sensores.......................................................................................................58- Conversor A/D ..........................................................................................................58

CAPTULO V ..............................................................................................................................59MODELAGEM MATEMTICA PARA ESTIMAO DE PARMETROS.............................................595.1 - I NTRODUO................................................................................................................595.2 - MTODO DOSMNIMOS QUADRADOS............................................................................605.3 - CONCLUSO..................................................................................................................66

CAPTULO VI.............................................................................................................................67PROCESSAMENTO DE SINAIS....................................................................................................676.1 - I NTRODUO................................................................................................................676.2 - CARACTERSTICAS ESTTICAS.......................................................................................67

6.2.1 - Impreciso ......................................................................................................676.2.2 - Exatido..........................................................................................................686.2.3 - Resoluo .......................................................................................................686.2.4 - Repetibilidade.................................................................................................706.2.5 - Controle Estatstico ........................................................................................736.2.6 - Ajuste de Zero (Zero Drift) ............................................................................80

6.2.7 - Ajuste da Sensibilidade ..................................................................................826.2.8 - Linearidade.....................................................................................................846.2.9 - Limites de entrada (Input ranges)...................................................................91

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6.2.10 - Impedncia de Entrada...................................................................................916.3 - CONCLUSO..................................................................................................................92

CAPTULO VII ...........................................................................................................................93RESULTADOS OBTIDOS.............................................................................................................937.1 - I NTRODUO................................................................................................................937.2 - RESULTADOS OBTIDOS..................................................................................................94

7.2.1 - Ponto Fixo ......................................................................................................947.2.2 - Deslocamento na Direo X...........................................................................977.2.3 - Deslocamento na Direo Y...........................................................................997.2.4 - Deslocamento na Direo Z .........................................................................101

7.2.5 - Deslocamento em Duas Direes (X Y) ...................................................1037.2.6 - Deslocamento em Duas Direes (X Y) Simultaneamente........................1067.2.7 - Deslocamento em Duas Direes (X Z)....................................................1097.2.8 - Deslocamento em Duas Direes (X Z) Simultaneamente.......................1117.2.9 - Deslocamento em Duas Direes (Y Z)....................................................1127.2.10 - Deslocamento em Duas Direes (Y Z) Simultaneamente.......................1147.2.11 - Deslocamento em 3 Direes (X Y Z) .........................................................1157.2.12 - Movimentos Diversos...................................................................................117

7.2.12.1 - Deslocamento com parafusos nos eixos X e Z com

movimentos repetitivos de ir e vir.................................................1177.2.12.2 - Deslocamento de 1mm em cada eixo e tentar retornar ao ponto inicial...................................................................................119

7.2.12.3 - Deslocamento de 1mm em cada eixo e depois retornar ao ponto inicial...................................................................................120

7.2.12.4 - Deslocamento manual (sem parafusos) no eixo Z movimento de subida e descida.....................................................122

7.2.12.5 - Deslocamento de 5mm somente no eixo X...................................1237.3 - DETERMINAO DAIMPRECISO................................................................................125

7.4 - MOVIMENTOMANDIBULAR ........................................................................................1327.5 - CONCLUSO...............................................................................................................134

CAPTULO VIII........................................................................................................................135CONCLUSES E SUGESTES DE CONTINUIDADE......................................................................1358.1 - I NTRODUO..............................................................................................................1358.2 - CONCLUSES..............................................................................................................135

8.3 - SUGESTES DE CONTINUIDADE...................................................................................136

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REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ....................................................................................138

APNDICE I..............................................................................................................................142

ELETROMAGNETISMO E CLCULO DE CAMPO.........................................................142

1.1 - I NTRODUO..............................................................................................................1421.2 - CONCEITOSFUNDAMENTAIS.......................................................................................144

1.2.1 - Magnetismo...................................................................................................1441.2.2 - Campo Magntico e Induo Magntica.......................................................1451.2.3 - Fluxo Magntico............................................................................................1451.2.4 - Magnetostrico ............................................................................................1451.2.5 - Materiais magnticos.....................................................................................145

1.2.5.1 - Materiais moles .............................................................................1461.2.5.2 - Materiais duros..............................................................................1501.2.5.3 - Principais tipos de Ims permanentes ...........................................153

1.3 - CLCULO DECAMPOMAGNTICO..............................................................................1541.3.1 - Equaes de Maxwell....................................................................................154

1.3.1.1 - Equaes de Maxwell na magnetosttica......................................1571.3.1.2 - Equao de Poisson no Plano........................................................158

1.3.2 - Condies de Contorno .................................................................................1611.3.2.1 - Condio de Contorno de Dirichlet...............................................1621.3.2.2 - Condio de Contorno Neumann..................................................162

1.3.2.3 - Problemas de Valores de Contorno ou Problemas dePotencial........................................................................................1631.3.3 - Aproximao de Funes pelo Mtodo de Galerkin .....................................163

1.3.3.1 - Discretizao do Domnio.............................................................1641.3.3.2 - Equaes Discretas........................................................................166

1.4 - R ESULTADOS DE CLCULO DE CAMPOATRAVS DO FEM2000....................................1721.4.1 - Definio da geometria - Mdulo*.DES.......................................................1741.4.2 - Definio de materiais e condio de contorno - Mdulo*.DAT .................1751.4.3 - Processo de clculo Mdulo *.MESH........................................................177

1.5 - CONCLUSO...............................................................................................................182

APNDICE II ............................................................................................................................185SENSORES MAGNTICOS ..............................................................................................1852.1 - I NTRODUO..............................................................................................................1852.2 - SENSOR DE EFEITOHALL............................................................................................185

2.2.1 - Teoria do efeito Hall.....................................................................................186

2.2.2 - Caractersticas bsicas..................................................................................1872.2.2.1 - Sensibilidade absoluta...................................................................1882.2.2.2 - Offset equivalente a Induo Magntica .......................................188

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2.2.2.3 - Rudo equivalente de Induo Magntica .....................................1882.2.2.4 - Sensibilidade a fatores externos ....................................................1882.2.2.5 - No linearidade..............................................................................1892.2.2.6 - Estabilidade ...................................................................................190

2.2.2.7 - Funo de transferncia.................................................................1902.2.3 - Sensor de efeito Hall digital .........................................................................1912.2.3.1 - Funo de transferncia.................................................................1922.2.3.2 - Caractersticas bsicas...................................................................193

2.2.4 - Aplicaes tpicas.........................................................................................1942.3 - FLUXGATES................................................................................................................194

2.3.1 - Princpio de operao ...................................................................................1952.4 - SENSORES BASEADOS EM MATERIAL AMORFO............................................................197

2.4.1 - Caractersticas bsicas..................................................................................1972.4.2 - Aplicaes ....................................................................................................198

2.5 - SQUIDS.....................................................................................................................2012.5.1 - Supercondutividade ......................................................................................2012.5.2 - Efeito Meissner e quantificao do fluxo.....................................................2022.5.3 - O efeito Josephson........................................................................................2042.5.4 - Caractersticas construtivas ..........................................................................2062.5.5 - Medio de campos magnticos com SQUIDs ............................................2072.5.6 - Medio de grandezas eltricas utilizando SQUIDS e o efeito

Josephson......................................................................................................2072.6 - SENSORESMAGNETORESISTIVOS................................................................................208

2.6.1 - Fundamentos do sensor ................................................................................2082.6.2 - Sensores magnetoresistivos Philips..............................................................2112.6.3 - Caractersticas bsicas..................................................................................2142.6.4 - Aplicaes ....................................................................................................2192.6.5 - Exemplos de aplicaes de medidas de posio...........................................223

2.7 - CONCLUSO...............................................................................................................227

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NDICE DE FIGURAS

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Figura 2.1- Esquema proposto por Siegler. .....................................................................................9

Figura 2.2 - Axiografia apresentada por Piehslinger. ....................................................................10Figura 2.3 - Sirognatgrafo utilizado por Tallentset al . ..............................................................11Figura 2.4 - Medio atravs do som da ATM..............................................................................12Figura 2.5 - Mtodo de visualizao proposto por Hayasakiet al ...............................................13Figura 2.6 - Aparelho da Myo-Tronics para medir movimentos mandibulares. ...........................15

Figura 3.1 - Arquitetura geral do crnio. .......................................................................................17Figura 3.2 - Vista lateral do sistema mastigatrio.........................................................................18Figura 3.3 - Esquema da ATM. .....................................................................................................19Figura 3.5 - Msculos da mastigao. ...........................................................................................21Figura 3.6 - Biomecnica da ATM. ...............................................................................................23Figura 3.7 - Disfuno na mandbula em funo do tamanho da lngua. ......................................25Figura 3.8 - Tipos de perfis em funo do posicionamento da mandbula....................................26Figura 3.9 - Exemplos de disfuno na ATM. ..............................................................................28

Figura 4.1 - Esquema da montagem do circuito............................................................................30Figura 4.2 - Dispositivo de calibrao em 2D...............................................................................31Figura 4.3 - Circuito para amplificao e filtragem. .....................................................................32Figura 4.4 - Coroa de Sensores de acrlico. ...............................................................................33Figura 4.5 - Primeiro circuito de condicionamento de sinal..........................................................34Figura 4.6 - Coroa de Sensores de celeron.................................................................................36Figura 4.7 - Segundo circuito de condicionamento de sinal..........................................................37Figura 4.8 - Terceiro circuito de condicionamento de sinal. .........................................................39Figura 4.9 - Sistema de medio (Coroa de Sensores) Vista frontal. ........................................40Figura 4.10 - Sistema de medio (Coroa de Sensores) com o terceiro circuito de

condicionamento de sinal.........................................................................................40Figura 4.11 - Torre de calibrao. .................................................................................................44Figura 4.12 - Projeto da Torre de Calibrao - Vista frontal.........................................................45Figura 4.13 - Projeto da Torre de Calibrao - Vista lateral. ........................................................46Figura 4.14 - Projeto da Torre de Calibrao - Vista superior. .....................................................47

Figura 4.15 - Emulador de Movimento Mandibular - Vista frontal. .............................................48Figura 4.16 - Emulador de movimento mandibular - Vista lateral................................................49Figura 4.17 - Emulador de movimento mandibular - Vista interna...............................................49Figura 4.18 - Projeto do Emulador de Movimento Mandibular - Vista frontal.............................50Figura 4.19 - Projeto do Emulador de Movimento Mandibular Planta. .....................................51Figura 4.20 - Projeto do Emulador de Movimento Mandibular - Vista lateral. ............................52Figura 4.21 - Estrutura externa e interna do Emulador de Movimento Mandibular. ....................53Figura 4.22 - Sistema completo do Sistema de Calibrao - Vista frontal....................................54Figura 4.23 - Sistema completo do Sistema de Calibrao - Vista lateral. ...................................54Figura 4.24 - Sistema completo do Sistema de Calibrao - Vista superior. ................................55Figura 4.25 - Sistema de Medio de Movimento Mandibular - Vista lateral. .............................55

Figura 4.26 - Sistema de Medio de Movimento Mandibular - Vista frontal. ............................56Figura 4.27- Sistema de Medio de Movimento Mandibular - Vista lateral - boca fechada. ..56Figura 4.28 - Sistema de Medio de Movimento Mandibular - Sistema desacoplado. ...............57

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Figura 5.1 - Curva de operao do Sensor 1..................................................................................61Figura 5.2 - Curva de operao do Sensor 2..................................................................................61Figura 5.3 - Curva de operao do Sensor 3..................................................................................62Figura 5.4 - Curva de operao do Sensor 4..................................................................................62

Figura 5.5 - Curva de operao do Sensor 5..................................................................................63Figura 5.6 - Curva de operao do Sensor 6..................................................................................63Figura 5.7 - Curva de operao do Sensor 7..................................................................................64Figura 5.8 - Curva de operao do Sensor 8..................................................................................64

Figura 6.1 - Deslocamento no eixo X entre 10 e 15mm com Y= Z=15mm..................................71Figura 6.2 - Valores de Y =15mm em funo do deslocamento no eixo X entre 10 e 15 mm e

Z=15mm....................................................................................................................72Figura 6.3 - Valores de Z =15mm em funo do deslocamento no eixo X entre 10 e 15 mm e

Y=15mm...................................................................................................................73Figura 6.4 - Valores de X =15mm em funo do deslocamento no eixo Y entre 10 e 15 mm e

Z=15mm....................................................................................................................75Figura 6.5 - Deslocamento no eixo Y entre 10 e 15 mm com X=Z=15mm..................................76Figura 6.6 - Valores de Z =15mm em funo do deslocamento no eixo Y entre 10 e 15 mm e

X=15mm...................................................................................................................77Figura 6.7 - Valores de X=15mm em funo do deslocamento no eixo Z entre 10 e 15 mm e

Y=15mm...................................................................................................................78Figura 6.8 - Valores de Y=15mm em funo do deslocamento no eixo Z entre 10 e 15 mm e

X=15mm...................................................................................................................79Figura 6.9 - Deslocamento no eixo Z entre 10 e 15 mm com X=Y=15mm..................................80Figura 6.10 - Variao da sensibilidade do sensor KMZ10B com a temperatura.........................83Figura 6.11 - Valores mdios estimados em 5 aquisies.............................................................90

Figura 7.1 - Deslocamento do magneto na direo X Y Z em funo do tempo (Ponto fixo)......94Figura 7.2 - Detalhe do rudo no deslocamento no eixo X............................................................95Figura 7.3 - Detalhe do rudo no deslocamento no eixo Y............................................................95Figura 7.4 - Detalhe do rudo no deslocamento no eixo Z. ...........................................................96Figura 7.5 - Ponto fixo - escala ampliada......................................................................................96Figura 7.6 - Ponto fixo...................................................................................................................97Figura 7.7 - Deslocamento do magneto na direo X em funo do tempo..................................98

Figura 7.8 - Deslocamento na direo X em 3D - escala ampliada...............................................98Figura 7.9 - Deslocamento na direo X em 3D. ..........................................................................99Figura 7.10 - Deslocamento do magneto na direo Y em funo do tempo..............................100Figura 7.11 - Deslocamento na direo Y em 3D. ......................................................................100Figura 7.12 - Deslocamento na direo Y em 3D. ......................................................................101Figura 7.13 - Deslocamento do magneto na direo Z em funo do tempo. .............................102Figura 7.14 - Deslocamento na direo Z em 3D........................................................................102Figura 7.15 - Deslocamento na direo Z em 3D........................................................................103Figura 7.16 - Deslocamento do magneto na direo X Y em funo do tempo.........................104Figura 7.17 - Detalhe do rudo no deslocamento no eixo X........................................................105Figura 7.18 - Detalhe do rudo no deslocamento no eixo Y........................................................105

Figura 7.19 - Detalhe do rudo no deslocamento no eixo Z. .......................................................106Figura 7.20 - Deslocamento primeiramente em X e depois em Y com Z constante...................106Figura 7.21 - Deslocamento simultneo do magneto na direo X Y em funo do tempo. ......107

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Figura 7.22 - Detalhe do rudo no eixo X....................................................................................108Figura 7.23 - Detalhe do rudo no eixo Y....................................................................................108Figura 7.24 - Detalhe do rudo no eixo Z. ...................................................................................109Figura 7.25 - Deslocamento na direo X Y em 3D. ..................................................................109Figura 7.26 - Deslocamento do magneto na direo X Z em funo do tempo. .........................110

Figura 7.27 - Deslocamento na direo X Z em 3D....................................................................111Figura 7.28 - Deslocamento simultneo do magneto em X Z em funo do tempo. ..................112Figura 7.29 - Deslocamento na direo X Z simultaneamente em 3D. .......................................112Figura 7.30 - Deslocamento do magneto na direo Y Z em funo do tempo. .........................113Figura 7.31 - Deslocamento na direo Y Z em 3D....................................................................114Figura 7.32 - Deslocamento simultneo do magneto em Y Z em funo do tempo. ..................115Figura 7.33 - Deslocamento simultneo do magneto em Y Z em 3D. ........................................115Figura 7.34 - Deslocamento simultneo do magneto em X Y Z em funo do tempo. ..............116Figura 7.35 - Detalhe do rudo nos deslocamentos em X Y Z. ...................................................117Figura 7.36 - Deslocamento do magneto em X Y Z em 3D. .......................................................117Figura 7.37 - Deslocamento do magneto nos eixos X e Z no tempo...........................................118Figura 7.38 - Deslocamento nos eixos X e Z em 3D...................................................................119Figura 7.39 - Movimento de 1mm do magneto nos eixos X Y Z no tempo................................120Figura 7.40 - Movimento de 1mm do magneto nos 3 eixos em 3D. ...........................................120Figura 7.41 - Deslocamento de 1mm do magneto nos eixos X Y Z no tempo com retorno ao

ponto de partida. .....................................................................................................121Figura 7.42 - Deslocamento de 1mm nos eixos X Y Z retornando ao ponto de partida em 3D. 122Figura 7.43 - Deslocamento manual do magneto em movimentos de ir e vir sob o parafuso no

eixo Z. .....................................................................................................................123Figura 7.44 - Deslocamento manual do magneto em movimentos de ir e vir sob o parafuso no

eixo Z em 3D. .........................................................................................................123Figura 7.45 - Deslocamento do magneto de 5mm no eixo X. .....................................................124Figura 7.46 - Deslocamento do magneto de 5mm no eixo X em 3D. .........................................125Figura 7.47 - Impreciso das medidas em 3D deslocamentos entre 0 e 25 mm.......................131Figura 7.48 - Impreciso das medidas em 3D deslocamentos entre 0 e 23 mm.......................132Figura 7.49 - Aquisio de dados do movimento mandibular ltimos 10 segundos................133Figura 7.50 - Deslocamento no tempo.........................................................................................133Figura 7.51 - Deslocamento em 3D.............................................................................................134

APNDICES

Figura 1.1a - Sistema de medio esquematizado mostrando as distncias mximas emnimas do magneto em relao a um dos sensores magnetoresistivos no plano.......................................................................................................................142

Figura 1.2a - Anlise Geral de mtodos de anlise matemtica..................................................143Figura 1.3a - Substncias diamagnticas.....................................................................................147Figura 1.4a - Substncias paramagnticas...................................................................................148Figura 1.5a - Substncias ferromagnticas. .................................................................................148Figura 1.6a - Magneto no entreferro............................................................................................150Figura 1.7a - Ciclo de funcionamento de um im. ......................................................................150Figura 1.8a - Curva ideal de magnetizao de um magneto........................................................151Figura 1.9a - Curva de definio de um magneto no segundo quadrante. ..................................152

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Figura 1.10a - Curva B(H) de ims permanentes. .......................................................................154Figura 1.11a - Esquema da diviso do eletromagnetismo...........................................................155Figura 1.12a - Distribuio do campo magntico regido pela equao de Poisson e Laplace....161Figura 1.13a - Condio de contorno de Dirichlet. .....................................................................162Figura 1.14a - Condio de contorno de Neumann.....................................................................162

Figura 1.15a- Discretizao de um domnio simples em 6 subdomnios. ...................................165Figura 1.16a- Domnio da Figura 1.12a aps ter sido discretizada (malha resultante). ..............166Figura 1.17a - Tringulo genrico utilizado no equacionamento................................................168Figura 1.18a - Distribuio de campo obtida pelo MEF. ............................................................172Figura 1.19a - Fluxograma do FEM2000 ....................................................................................173Figura 1.20a - Definio da zona de fronteira onde o campo magntico considerado nulo.....174Figura 1.21a - Malha gerada........................................................................................................176Figura 1.22a - Malha refinada ..................................................................................................177Figura 1.23a - Induo magntica a 90mm do magneto (im no centro) malha original.........178Figura 1.24a - Induo magntica a 72,33mm do magneto (im menor distncia)..................179Figura 1.25a - Induo magntica a 107,67mm do magneto (im maior distncia).................179Figura 1.26a - Induo magntica a 90mm do magneto (im no centro) malha refinada. .......180Figura 1.27a - Induo magntica a 72,33mm do magneto (im menor distncia) -

malha refinada.......................................................................................................180Figura 1.28a - Induo magntica a 107,67mm do magneto (im maior distncia) -

malha refinada.....................................................................................................181Figura 1.29a - Variao de campo magntico nos sensores magnetoresistivos ..........................182Figura 1.30a - Deslocamento do magneto no espao. .................................................................183

Figura 2.1a - Ilustrao do Efeito Hall. .......................................................................................185Figura 2.2a - Sensor de efeito Hall. .............................................................................................186Figura 2.3a - Funo de transferncia Sensor de efeito Hall analgico. ..................................190Figura 2.4a - Sensor de efeito Hall com sada digital (Honeywell). ...........................................190Figura 2.5a - Funo de transferncia de um sensor de efeito Hall com sada digital. ...............191Figura 2.6a - Sensor de sada digital com transistor NPN...........................................................192Figura 2.7a - Caractersticas de entrada para um sensor unipolar. ..............................................192Figura 2.8a - Caractersticas de entrada para um sensor bipolar. ................................................193Figura 2.9a - Fluxgate bsico. .....................................................................................................194Figura 2.10a - Monitorao e Controle de trfego com sensores MI ..........................................200Figura 2.11a - Parte de um supercondutor mostrando contornos de integrao (um inteiro

e outro com uma cavidade central). .....................................................................203

Figura 2.12a - Configurao bsica do transformador de fluxo. .................................................206Figura 2.13a - Geometria de um sensor magnetoresistivo. .........................................................208Figura 2.14a - Efeito magnetoresisivo no permalloy...................................................................211Figura 2.15a - Configurao da ponte pelos resistores R T...........................................................212Figura 2.16a - Caractersticas do sensor Philips. .........................................................................213Figura 2.17a - Sada do sensor como funo de um campo auxiliar H x......................................214Figura 2.18a - Variao da resistncia de um sensor KMZ10B com a temperatura. ..................214Figura 2.19a - Variao da sensibilidade do sensor KMZ10B com a temperatura. ....................215Figura 2.20a - Linearizao do efeito magnetoresistivo com tiras de alumnio..........................216Figura 2.21a - Sada V0 do sensor como funo do campo transverso H para diversos valores de

campo auxiliar H x..............................................................................................217

Figura 2.22a - Campo magntico num condutor. ........................................................................218Figura 2.23a- Sada do sensor num campo magntico permanente. ...........................................219Figura 2.24a - Sada do sensor num campo magntico muito forte. ...........................................220

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Figura 2.25a- Sensor magnetoresistivo como sensor de proximidade. .......................................221Figura 2.26a - Sada do sensor como funo da distncia...........................................................221Figura 2.27a - Medida de um ponto somente com um sensor KMZ10B PHILIPS.....................222Figura 2.28a - Montagem para medida de posio com magneto FXD330. ...............................223Figura 2.29a - Sada dos sensores com d=5mm e im de 10x15mm...........................................223

Figura 2.30a - Sada dos sensores com d=1mm e im de 4x5mm...............................................223Figura 2.31a - Sensor perpendicular ao campo magntico..........................................................224Figura 2.32a - Sada do sensor como funo do deslocamento...................................................225Figura 2.33a - Sada do sensor como funo do deslocamento...................................................225

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NDICE DE TABELAS

Pg.

Tabela 4.1 - Caractersticas de componentes eletrnicos.........................................................34

Tabela 6.1 - Valores de tenso nos 8 sensores em funo de deslocamento no eixo Xcom os parafusos nos eixos Y e Z fixos ............................................................... 69

Tabela 6.2 - Diferena de tenso entre 2 pontos distantes entre si de 1mm no eixo X para os 8 sensores .................................................................................................69

Tabela 6.3 - Valores de deslocamentos no eixo X entre 10 e 15 mm com Y=Z=15mm..........71Tabela 6.4 - Valores de Y =15mm em funo do deslocamento no eixo X entre 10 e

15 mm e Z=15mm ................................................................................................72Tabela 6.5 - Valores de Z =15mm em funo do deslocamento no eixo X entre 10 e

15 mm e Y=15mm................................................................................................73Tabela 6.6 - Valores de X =15mm em funo do deslocamento no eixo Y entre 10 e15 mm e Z=15mm ................................................................................................74

Tabela 6.7 - Valores de deslocamentos no eixo Y entre 10 e 15mm com X=Z=15mm...........75Tabela 6.8 - Valores de Z =15mm em funo do deslocamento no eixo Y entre 10 e

15 mm e X=15mm................................................................................................76Tabela 6.9 - Valores de X =15mm em funo do deslocamento no eixo Z entre 10 e

15 mm e Y=15mm................................................................................................77Tabela 6.10 - Valores de Y =15mm em funo do deslocamento no eixo Z entre 10 e

15 mme X=15mm. ................................................................................................78Tabela 6.11 - Valores de deslocamentos no eixo Z entre 10 e 15 mm com

X=Y=15mm..........................................................................................................79Tabela 6.12 - Valores de tenso para a posio (15,20,20) mm 1a aquisio........................85Tabela 6.13 - Valores calculados para (X,Y,Z) - 1a aquisio .................................................85Tabela 6.14 - Valores de tenso para a posio (15,20,20) mm 2a aquisio........................86Tabela 6.15 - Valores calculados para (X,Y,Z) - 2a aquisio .................................................86Tabela 6.16 - Valores de tenso para a posio (15,20,20) mm 3a aquisio........................87Tabela 6.17 - Valores calculados para (X,Y,Z) - 3a aquisio .................................................87Tabela 6.18 - Valores de tenso para a posio (15,20,20) mm 4a aquisio........................88Tabela 6.19 - Valores calculados para (X,Y,Z) - 4a aquisio .................................................88Tabela 6.20 - Valores de tenso para a posio (15,20,20) mm 5a aquisio........................89Tabela 6.21 - Valores calculados para (X,Y,Z) - 5a aquisio .................................................89Tabela 6.22 - Valores mdios estimados nas 5 aquisies.......................................................90

Tabela 7.1 - Ponto fixo. ............................................................................................................94Tabela 7.2 - Deslocamento no eixo X. .....................................................................................97Tabela 7.3 - Deslocamento no eixo Y. .....................................................................................99Tabela 7.4 - Deslocamento no eixo Z..................................................................................... 101Tabela 7.5 - Deslocamento nos eixos X e Y...........................................................................104Tabela 7.6 - Deslocamento nos eixos X e Y simultaneamente. .............................................107

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Tabela 7.7 - Deslocamento nos eixos X e Z. ..........................................................................110Tabela 7.8 - Deslocamento nos eixos X e Z simultaneamente...............................................111Tabela 7.9 - Deslocamento nos eixos Y e Z. ..........................................................................113Tabela 7.10 - Deslocamento nos eixos Y e Z simultaneamente.............................................114

Tabela 7.11 - Deslocamento nos eixos X, Y e Z. ...................................................................116Tabela 7.12 - Deslocamento de ir e vir nos eixos X e Z. ....................................................118Tabela 7.13 - Deslocamento de ir e vir de 1mm nos eixos X e Z e de ir 1mm no

eixo Y................................................................................................................119Tabela 7.14 - Deslocamento de ir e vir de 1mm nos eixos X ,Y e Z. .................................121Tabela 7.15 - Deslocamento manual do magneto no eixo Z. .................................................122Tabela 7.16 - Deslocamento de 5mm no eixo X. ...................................................................124Tabela 7.17 - Resultados do Ensaio 1.....................................................................................126Tabela 7.18 - Resultados do Ensaio 2.....................................................................................126

Tabela 7.19 - Resultados do Ensaio 3.....................................................................................127Tabela 7.20 - Resultados do Ensaio 4.....................................................................................127Tabela 7.21 - Resultados do Ensaio 5.....................................................................................128Tabela 7.22 - Impreciso das medidas no eixo X................................................................... 129Tabela 7.23 - Impreciso das medidas no eixo Y................................................................... 129Tabela 7.24 - Impreciso das medidas no eixo Z. .................................................................. 130Tabela 7.25 - Impreciso das medidas em 3D........................................................................130

APNDICES

Tabela 1.1a - Equaes de Potencial (Equaes de Campo)..................................................163Tabela 1.2a - Valores comparativos dos resultados do FEM2002. ........................................181

Tabela 2.1a - Caractersticas principais dos sensores magnetoresistivos Philips................212Tabela 2.2a - Valores para campo magntico gerado por condutor conduzindo

corrente. ............................................................................................................ 218Tabela 2.3a - Comparao entre sensores magnticos quanto a deteco de campo

magntico..........................................................................................................226

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Captulo I

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CAPTULO I

INTRODUO

1.1 - CONSIDERAES GERAIS

A pesquisa cientfica pode ser vista de diversas formas:

a) como uma fonte de investigao contnua visando a melhoria das condies desobrevivncia humana,

b) uma fonte de sobrevivncia financeira,

c) uma fonte enaltecedora de egos,

d) e tambm como uma arte, ou seja, a arte da criatividade e tambm a arte do desenvolvimentoda nobreza humana, refletida no comportamento altrusta de alguns pesquisadores, os quais buscam, na maioria das vezes, contribuir para a melhoria da sociedade no planeta, e damelhoria da convivncia no universo.

A arte est na simplicidade de alguns desenvolvimentos, na busca e no encontro de soluessimples para problemas complexos.

A identificao de movimentos mandibulares no uma tarefa simples, dado que pode ser confirmado atravs da literatura, mas com o desenvolvimento tecnolgico na rea de sensoresmagnticos, por exemplo, possvel desenvolver equipamentos que auxiliem o profissional darea, a obter dados que lhe permitam realizar diagnsticos mais eficazes e consequentementetratamentos mais adequados e rpidos a seus pacientes.

A tecnologia atual utilizada no desenvolvimento de sensores magnticos, permitiu a confecode sensores de alta sensibilidade, pequenas dimenses, compatveis com sistemas eletrnicos e baixo custo, o que propicia o uso em diversos tipos de medidas, como medidas de deslocamento,de presena, de atividade de ondas cerebrais, de corrente eltrica, de velocidade, presso e outrastantas que podem se fazer necessrias.

O aspecto que deve ser observado quando se utilizam sensores magnticos, que grandezas

como correntes, deslocamentos, presso, por exemplo, no so medidas diretamente e sim,

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atravs de variaes de campos magnticos, os quais so transformados nas grandezas deinteresse atravs de circuitos condicionadores de sinal.

Este trabalho apresenta o prottipo de um equipamento destinado a identificar pequenos

deslocamentos no espao atravs da variao de campo magntico, com preciso de dcimos demilmetros. A idia original para utilizao do equipamento est no desenvolvimento de umaparelho para identificar movimentos mandibulares em 3D, sendo que seu uso pode ser estendido a outras reas, onde seja necessria a medio de deslocamentos sem contato, comomedidas em locais inspitos, de difcil acesso, bem com na rea da robtica na determinao de posicionamento desejados.

O sensor escolhido para a confeco do prottipo um sensor magnetoresistivo pelo fato de noexistir na literatura conhecida, um equipamento para medir deslocamentos mandibularesutilizando este tipo de sensor.

O processo consiste em determinar a trajetria de um magneto que se move no espao delimitadoem 25X25X23mm, atravs de 8 sensores dispostos de forma a captar a variao do campomagntico quando o im se desloca. A variao do campo magntico no sensor provoca umavariao nos valores da tenso de sada dos mesmos, os quais so transferidos para um

microcomputador, atravs de uma placa de aquisio de dados. A partir do processamento destasinformaes feita a identificao do movimento do im no espao. O software utilizado nestaetapa o Matlab Release 12.

O trabalho apresenta, tambm, o mapeamento do campo magntico do magneto utilizado parasensibilizar os sensores, atravs do software de elementos finitos aplicado ao eletromagnetismo -FEM2000.

1.2 - OBJETIVOO principal objetivo deste trabalho desenvolver um sistema que permita o estudo e a anlise deum aparelho para medir deslocamentos no espao sem contato, utilizando somente a variao decampo magntico para identificao deste movimento.

O sistema compreende a construo de:

a) uma mesa de calibrao que permita o deslocamento em trs eixos ortogonais,

independentemente um do outro;

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b) de um equipamento (prottipo) para medir deslocamentos em trs dimenses utilizandosensores magnetoresistivos, que o produto efetivamente desejado;

c) e de um emulador de movimento mandibular para a realizao de testes, que represente o

movimento mais prximo possvel do movimento de abrir e fechar a boca de uma pessoa.

Como objetivo secundrio pretende-se mapear o campo magntico do magneto utilizado nosensaios .

1.3 - MOTIVAO DO TRABALHO

A motivao pela rea de biomecnica, se deu atravs do interesse em pesquisar a influncia decampos magnticos em seres humanos, ou seja, como os seres humanos so afetados em contatocom campos eletromagnticos conhecidos e desconhecidos. Pensava-se em desenvolver umaequipamento que pudesse medir tais grandezas para uma possvel comprovao cientfica detantos fenmenos observados na prtica, e to difceis de serem comprovados cientificamente.

O desenvolvimento do trabalho aqui apresentado pode, de alguma forma, contribuir para esteavano, pois o mesmo trabalha na identificao de campos magnticos pequenos e sensoresmagnetoresistivos de alta sensibilidade.

A motivao para confeco deste trabalho, mais precisamente, sobre o desenvolvimento desteequipamento para medir deslocamentos mandibulares chamado de kinesigrafo, originou dotrabalho desenvolvido por Brusamarello, 1996, na busca de melhorar a preciso obtida por ele,que era de 0,6mm nas medies realizadas no plano, e de 1mm nas medies realizadas noespao.

Um outro fator motivacional, o fato de no existir no mercado brasileiro um equipamento para

realizar tais funes, o que, caso se concretize este projeto, o mesmo poderia ser confeccionado aum custo bem menor que os aparelhos importados existentes, permitindo, com isso, um uso maisextensivo aos profissionais da rea.

O princpio bsico do aparelho para medir deslocamentos mandibulares, consiste em medir avariao do campo magntico de um superim colocado sobre o dente incisivo inferior do paciente, quando o mesmo realiza movimentos de ocluso, obtendo com isto, a trajetria destedeslocamento. Espera-se, atravs deste experimento, auxiliar no diagnstico de possveis

disfunes na articulao temporo-mandibular dos pacientes, permitindo, ao profissional da reade odontologia, um diagnstico mais preciso e em menor tempo.

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importante salientar tambm, que o desenvolvimento de um aparelho para medir deslocamentos sem contato em 3D, pode ser utilizado para uma grande variedade de medidas de

movimento, o que faz com que o trabalho tenha um espectro de utilizao, bastante grande.

1.4 - ORGANIZAO DO TRABALHO

O trabalho est organizado na forma de captulos de acordo com os temas desenvolvidos no projeto e consta de oito captulos. Para facilitar ao leitor interessado na teoria que fundamentaalguns dos captulos, foram inseridos dois apndices. A descrio sucinta dos contedosabordados em cada captulo e nos apndices, est apresentados a seguir.

No Captulo I, denominado Introduo, esto definidos os objetivos, a motivao para odesenvolvimento do trabalho, bem como a estrutura da diviso em captulos.

No Captulo II apresentada a Reviso Bibliogrfica sobre os mtodos de medio demovimentos mandibulares utilizados at hoje.

No Captulo III so abordados os conceitos sobre a Anatomia Funcional e a Biomecnica doSistema Mastigatrio.

No Captulo IV, denominado de Sistema de Medio Utilizando Sensores Magnetoresistivos, detalhada a metodologia utilizada para o desenvolvimento do aparelho de medio onde estodescritas as confeces do prottipo, da torre de calibrao em 3D, do circuito eletrnico para ocondicionamento do sinal e do emulador de movimento mandibular.

No captulo V apresentada a modelagem matemtica utilizada para a estimao dos parmetrose feita a descrio do mtodo dos mnimos quadrados na identificao dos parmetrosdesejados, ou seja, o deslocamento em 3D, e foi denominado de Modelagem Matemtica paraEstimao de Parmetros.

No captulo VI, chamado Processamento de Sinais, so apresentadas as principais questes queenvolvem o processamento de sinais no desenvolvimento de um aparelho na rea biomdica,anlise e quantificao do rudo presente no sistema.

No captulo VII so apresentados os resultados obtidos nos ensaios de deslocamento do magnetono plano e no espao atravs de tabelas e grficos bi e tridimensionais e foi denominado deResultados Obtidos.

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Captulo I

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No captulo VIII so apresentadas as Concluses e Sugestes de continuidade para odesenvolvimento do trabalho.

Os apndices so dois e foram denominados de Apndice I e Apndice II.

No Apndice I apresentada uma reviso sobre os conceitos bsicos do eletromagnetismo eclculo de campo, visando uma melhor compreenso do mtodo dos elementos finitos utilizadono trabalho, e o mapeamento de campo magntico do magneto utilizado nos ensaios atravs dosoftware FEM2000.

No Apndice II so apresentados os diversos tipos de sensores magnticos e suas aplicaes,com nfase aos sensores magnetoresistivos, que so os sensores utilizados para a montagem do

aparelho.

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CAPTULO II

REVISO BIBLIOGRFICA

A tentativa de identificar precisamente os movimentos mandibulares e consequentemente, asdisfunes na articulao temporo-mandibular (ATM), data de algum tempo. Muitos pesquisadores j o fizeram, porm os resultados alcanados ainda podem ser melhorados.Avanos tecnolgicos nas reas de eletrnica e computao facilitaram este registro, permitindoum diagnstico mais preciso aos profissionais da rea de ortodontia.

Segundo Jankelsonet al ., 1975, em 1931, na tentativa de identificar os movimentos

mandibulares, foram utilizadas tcnicas cinematogrficas utilizando um ponto refletivo atcineflurografia em 1940. Em 1942 foram utilizadas fotografias estroboscpicas e em 1951 foiutilizado o traado mecnico de movimentos mastigatrios. As tcnicas utilizando registradoreseletrnicos foram utilizadas pela primeira vez, em 1953 para registrar a ocorrncia e a duraoda ocluso (movimento de abrir e fechar a boca) enquanto ocorria a mastigao. Procedimentosdeste tipo, com pequenas variaes foram utilizados nos anos subseqentes. A utilizao datelemetria oclusal em 1961 e a introduo da eletromiografia, em 1964 forneceram um avano

nos conceitos originais no traado dos movimentos mandibulares.

Piehslingeret al ., 1991, fazem uma descrio da evoluo dos procedimentos utilizados naidentificao de movimentos da ATM, desde 1967 at aproximadamente 1991 e que seroabordados neste captulo na ordem cronolgica.

A eletrognatografia foi introduzida em 1967 por Bewersdorff como um mtodo de registrar movimentos mandibulares em trs dimenses usando trs sensores de induo magntica, cada

um deles colocado em ambos os lados da mandbula e o outro fixado no crnio do paciente. Estesistema oferece a vantagem de permitir registrar funes intraorais.

Em 1969 foram publicados os primeiros trabalhos de Lee, nos quais ele usava uma turbina dentala ar localizada nos eixos das articulaes para gravar o movimento dos cndilos em blocos plsticos.

Em 1970 Knapet al . desenvolveram um sistema de medio usando seis potencimetros como

sensores fornecendo um sinal eltrico atravs de uma inciso na mandbula para anlisecomputacional. Este dispositivo ficava localizado em frente da face.

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Krber, em 1971 registrou movimentos mandibulares aplicando sobre a face uma placa comsensores cujos dados eram registrados atravs de um osciloscpio e de um plotter e, tambm em1971, Gibbs e Messerman usaram um sistema de dupla-face e um CASE GNATHICREPLICATOR, o qual registrava movimentos da mandbula para posterior anlisecomputacional .

Em 1972 Preiskel, estudando os eixos das articulaes, descreveu o chamado ngulo deFischer, como o ngulo entre o caminho percorrido pelo lado fixo do cndilo durantemovimento lateral e o caminho percorrido quando uma protruso simtrica realizada. Slavicek atribui este ngulo ao fato de que em registro pantogrfico utilizado um indicador namandbula distante alguns milmetros do cndilo introduzindo portanto uma varivel

incontrolvel. Rosner descreve este problema geomtrico como sendo valores de ngulos ouinclinaes prprias, no sendo propriamente distncias intercondilares.

Heners em 1973, usou um osciloscpio amplificador para identificar movimentos no planosagital em tempo real, mas este equipamento no identificava movimentos laterais.

Jankelsonet al ., 1975, desenvolveram um dispositivo, denominado, Mandibular Kinesiograph,utilizando um conjunto de quatro sensores fluxgates encapsulados em plstico montados em

uma estrutura de alumnio tendo o cuidado de observar o sentido do campo de campo de cadasensor. Os sensores captavam o campo magntico gerado por um im colocado no dente incisivoinferior do paciente quando este executasse movimentos mandibulares. Este conjunto desensores pesava 134 g. Uma das maiores dificuldades encontradas na fase de desenvolvimentodeste trabalho foi filtrar o campo magntico da terra nos dados de sada. O erro foi minimizadocolocando-se o quinto sensor (magnetometer) no conjunto de sensores, o qual tinha a finalidadede detectar e cancelar este campo..

Piehslinger, 1991, continua a descrio dos diversos mtodos de identificao de movimentos daATM e escreve que Mc Coyet al ., em 1976 utilizando a tcnica de LEE de gravar osmovimentos mandibulares em blocos plsticos, fotografaram estes blocos e transferiram estesdados para um computador . A concluso foi que a coleo e avaliao de tais dados poderiamesclarecer questes como a ocluso, estabilidade dos dentes, efeito na sade periodontal e ainda permitir correlaes com sucesso de medidas ortodnticas.

Na Inglaterra em 1977, Winstanley relatou o uso de tcnicas pantogrficas no traado dos eixosdas articulaes para programar um articulador.

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Waysenson e Salomon, 1977, utilizaram um receptor ptico eletrnico, o qual consistia de trsclulas fotoeltricas montadas perpendicularmente umas as outras, as quais captavam o feixeluminoso que passava pela garganta do paciente. Ao realizar movimentos mandibulares, cadaclula fotoeltrica captava diferentes sinais de luz, gerando diferentes tenses em cada uma dasclulas, os quais eram usados como sinais de entrada de um osciloscpio que mostrava na tela otipo de movimento realizado.

Ainda Piehslinger, 1991, escreve que em 1982, Klett usou um emissor de luz com fotosensores para medir e registrar movimentos mandibulares onde artefatos poderiam ser eliminados.

Burckhardt descreveu em 1985 um sistema pticoeletrnico com infravermelho para determinar os eixos das articulaes que inclua avaliao computacional.

Harada e Sakamoto, 1989, desenvolveram um pequeno sensor para medir campo magnticoutilizando um ncleo em anel e mosfets (metal oxide semiconductor field effect -transistor,semicondutor de xido metlico). O circuito baseado no princpio de saturao do ncleomagntico obtido atravs de chaveamento liga-desliga e formado por um ncleo magnticosaturado, um par de FETs (field effect transistor- transistor de efeito de campo) e um resistor desada, no qual o valor da tenso proporcional intensidade do campo magntico externo. O

mtodo consiste em utilizar um pequeno im permanente colado num dos dentes incisivosinferiores, cuja variao de campo magntico gerada pelo movimento da mandbula ser captada por oito destes sensores devidamente posicionados no crnio do paciente

Siegleret al ., 1991, desenvolveram uma tcnica de kinesiologia tridimensional para investigar osmovimentos mandibulares, utilizando um sistema eltrico-ptico, o qual mede a localizao noespao de mini-diodos emissores de luz (mini-LEDS), localizados na mandbula e no ossotemporal. Este sistema tem a capacidade de registrar o movimento de aproximadamente trinta edois (32) LEDS com um erro menor que 0,1mm e uma taxa de amostragem acima de 4000amostras por segundo. O sistema consiste ainda de duas (2) cmeras especiais de vdeo, umaunidade de controle para obter as informaes das cmeras e controlar a luz dos LEDs e ummicrocomputador usado para coletar dados e apresentar os resultados. A anlise dos dadosconsiste em derivar a posio relativa e orientao da mandbula com respeito ao osso temporalatravs das medidas das coordenadas de pontos do osso temporal e da mandbula. O algoritmousado para determinao do movimento o mtodo de otimizao com restrio usando o

critrio dos mnimos quadrados para achar a melhor aproximao da posio da mandbula emrelao ao osso temporal atravs das medidas das posies do pontos destes ossos. A principal

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vantagem desta tcnica sobre outras j desenvolvidas que a mesma fornece a descriocompleta do movimento da mandbula com respeito ao osso temporal, incluindo os seis (6) grausde liberdade associados com este movimento; a descrio do movimento em termos de unio de parmetros facilita a interpretao dos dados pelos clnicos; o movimento de qualquer ponto damandbula pode ser facilmente derivado atravs dos dados. Por no exigir fixao da cabea, osistema no interfere no processo de ocluso natural e o peso dos LEDs pode ser consideradodesprezvel.

Figura 2.1- Esquema proposto por Siegler.

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Piehslingeret al ., 1991, mostrou as vantagens da axiografia computadorizada na aplicao deidentificao de movimentos mandibulares mostrando as vantagens deste mtodo em relao aosdispositivos mecnicos. Na axiografia computadorizada possvel, segundo ela, diagnosticar pequenas alteraes dos movimentos mandibulares, desde o incio destas manifestaes.

Figura 2.2 Axiografia apresentada por Piehslinger.

Tallentset al ., 1991, utilizaram o Sirognatgrafo desenvolvido por Arthur Lewin e pela Siemens, para anlise de movimentos mandibulares, o qual utilizava 8 sensores Hall para identificar omovimento de um magneto nas trs direes: vertical, lateral e anteroposterior.

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Figura 2.3 Sirognatgrafo utilizado por Tallentset al .

Tambm em 1991, Yamamotoet al ., 1991, desenvolveram um sistema de mediotridimensional utilizando a tcnica convencional, de triangulao para clculo de distncias paraacompanhamento de tratamentos ortodnticos. O sistema construdo consistia de umequipamento ptico composto por um laser, um sensor de imagem e lentes e uma mesa dedeslocamento x-y, onde era colocado o molde de gesso. Fazia-se a incidncia do raio numdeterminado ponto do molde e este ponto era monitorado entre um perodo que variava de 41(quarenta e um) a 190 (cento e noventa) dias para verificar a evoluo do tratamento ortodntico.

Motoyoshiet al ., 1996, investigaram a possvel relao entre os movimentos mandibulares,obtidos atravs de registros axiogrficos e os sons produzidos durante estes movimentos paraavaliar a posio dos cndilos em relao fossa articular. Os movimentos mandibulares foramregistrados utilizando o CADIAX:SAM (computer aided Axiograph) e o registro dos sons foi

feito atravs do TMJ. Dopler Auscultation (3 Brothers enterprises, TMJ Doppler) e armazenadosnuma fita magntica utilizando DAT: SONY (digital audio tape recorder TCD-D10). No sistemade coordenadas utilizado, o eixo X corresponde a deslocamentos no plano orbital e o eixo Z perpendicular a este, sendo que a distncia S calculada como sendo a hipotenusa dos valoresmedidos em X e Z. Os sons registrados durante o movimento de abertura da mandbula foramobtidos quando o valor de S variava de 8 a 23mm, verificados atravs da axiografia, e os sonsregistrados durante o movimento de fechamento da mandbula foram obtidos quando S variava

entre 0 e 17mm. Calculando esses valores como porcentagens em relao ao movimento mximodos cndilos , os sons de abertura foram registrados num intervalo entre 41 a 100% , enquanto

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que os sons dos movimentos de fechamento variaram entre 1 e 80% da mxima abertura. Afreqncia mdia dos sons na abertura foi de 87 Hz e de fechamento de 89Hz, sendo que foiconcludo no haver correlao entre o tempo (timing) do som da juno e o pico de freqnciados sons.

Figura 2.4 Medio de movimento mandibular atravs do som da ATM.

Hayasakiet al ., 1998, apresentaram um mtodo para visualizao e diagnstico de movimentosmandibulares utilizando o que eles chamaram de CMDME (curved mesh diagram of mandibular excursion), ou seja diagrama de malha da curva de excurso mandibular. O mtodo consistia emmedir o movimento mandibular atravs de um equipamento comercial ptico-eletrnicochamado TRIMET (Tokyo-shizaisha) com seis graus de liberdade e uma freqncia deamostragem de 100 Hz. Os dados obtidos eram transferidos para uma estao de trabalho grfica

IRIS CRIMSON (SiliconGraphics Co.Inc., Mountain View, CA, USA) usando ummicrocomputador PC-9801 BA (NEC Co., Tokyo, Japan) e a Ethernet. As trs coordenadas(x,y,z) de um ponto da mandbula foram medidas usando um XYZAX-PJ 400 A (Tokyo SeimitsuInc., Tokyo, Japan), e para a determinao do ponto central do cndilo da mandbula foramutilizados cefalogramas lateral e antero-posterior. A malha retangular formada se estendia 15mm para frente, e 13mm para trs (longo do eixo x); e 14 mm para esquerda e 14 mm para a direita(ao longo do eixo y), com a posio intercuspal como a origem. Portanto a malha era formada

por 78.961 (281X281) pontos. Cada uma das 12.000 medidas da posio mandibular eramapeada nesta malha pelo mtodo da menor distncia entre dois pontos.

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Figura 2.5- Mtodo de visualizao proposto por Hayasakiet al

Prinz, 1998, utilizou o registro dos sons produzidos ao se realizar movimentos de abrir e fechar a boca para desenvolver um protocolo para identificar movimentos mandibulares. O som era

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capturado atravs de microfones acoplados em fones de ouvido, amplificado e armazenado numafita e depois analisados no microcomputador. A freqncia de amostragem utilizada para captar os dois microfones ao mesmo tempo (ouvido esquerdo e ouvido direito) foi de 1,7 kHz pararegistrar 60 contatos de dentes (dentes superiores em contato com dentes inferiores). Foramutilizados dois sistemas de converso analgico-digital para digitalizar os registros. O softwareWAVESTUDIO suprido pela placa de som do Sound-Blaster (Creative, Singapore) foi utilizadonum tempo de 4 segundos, com taxa de amostragem de 44,1 kHz e 16 bits de resoluo. Aseleo dos dados contendo o som do contato dos dentes, ou o som da junotemporomandibular foram salvos num disco para anlise posterior. O segundo conjunto deregistros foi feito usando um conversor analgico-digital (ADC-11, Pico Technology,Cambridge, U.K.) de 10 canais com 10 bits de resoluo

Este mtodo no permite identificar a posio da mandbula, mas permite especificar ocomprimento do ciclo de abrir-fechar os dentes. Se a envoltria do movimento assumida comouma aproximao senoidal, ento a direo do movimento mandibular pode ser consideradacomo reverso na metade do ciclo. A preciso desta afirmativa baseia-se na experincia realizadaem nove pessoas num total de 129 ciclos. A variao mdia entre as pessoas, expressa em

percentagem do comprimento do ciclo foi de 1,3 0,9%.

Um dos aparelhos disponveis no mercado atualmente, fabricado pelo Myo-Tronics, Inc, e pode ser visto na figura 2.6. Para utilizao deste aparelho, deve ser utilizado um pequenomagneto acoplado na gengiva inferior do paciente e a medio obtida atravs de 8 sensoresmagnticos, os quais no foram especificados. Segundo uma estimativa de preo obtida atravsdo representante do fabricante, o aparelho custa em torno de U$10,000.00

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Figura 2.6 Aparelho da Myo-Tronics para medir movimentos mandibulares.

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ANATOMIA FUNCIONAL E A BIOMECNICA DO SISTEMA

MASTIGATRIO3.1 - INTRODUO

Segundo Okeson, 1992, o sistema mastigatrio a unidade funcional do corpo primordialmenteresponsvel pela mastigao, fala e deglutio, atuando tambm no paladar e na respirao. Osistema composto de: ossos, articulaes, ligamentos, dentes e msculos, alm de um intricadosistema de controle neurolgico que controla e coordena todas essas estruturas e componentes.

3.2 - COMPONENTES ESQUELTICOS DO SISTEMA MASTIGATRIO

Os componentes esquelticos bsicos que compem o sistema mastigatrio so:

- a maxila,- a mandbula ,- e o osso temporal.

A maxila e a mandbula suportam os dentes e o osso temporal suporta a mandbula em sua

articulao com o crnio.

A maxila forma a maior parte do esqueleto facial superior. A borda do maxilar estende-se na parte superior para formar o assoalho da cavidade nasal e tambm o assoalho da cavidadeorbital., conforme pode ser visto na figura 3.1.

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Figura 3.1 - Arquitetura geral do crnio.

A mandbula um osso em forma de U, que sustenta os dentes inferiores e forma a parteinferior do esqueleto facial. No tem ligao ssea com o crnio, sendo sustentada abaixo domaxilar por msculos, ligamentos e outros tecidos moles que por sua vez possibilitam amobilidade necessria ao funcionamento com o maxilar. O corpo da mandbula estende-se

pstero-inferiormente para formar o ngulo mandibular e pstero-superiormente para formar oramo ascendente. O ramo ascendente da mandbula formado por um osso vertical plano que se

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estende para cima como dois processos. O anterior o processo coronide e o posterior ocndilo. O cndilo a parte da mandbula que se articula no crnio ao redor do qual ocorrem osmovimentos.

O cndilo mandibular se articula na base do crnio com a poro escamosa do osso temporal. A poro do osso temporal composta pela fossa mandibular cncava, na qual o cndilo se situa eque tambm j foi chamada de fossa glenide ou articular. O teto posterior da fossa mandibular bem fina, o que indica que esta rea do osso temporal no foi feita para suportar forasexcessivas.

Figura 3.2 - Vista lateral do sistema mastigatrio.

3.2.1 - ARTICULAOTEMPORO-MANDIBULAR

A articulao temporo-mandibular (ATM), uma das articulaes mais complexas do corpohumano e tambm chamada de articulao craniomandibular.

A ATM formada pelo cndilo mandibular que se articula na fossa mandibular do ossotemporal. Entre estes dois ossos se situa o disco articular de forma que os dois ossos no searticulem diretamente. A ATM classificada como uma articulao composta, que a rigor deveria ser formada por pelo menos trs ossos, porm apesar da ATM ser composta por doisossos, funcionalmente o disco articular funciona como um osso no calcificado que permite osmovimentos complexos da articulao

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Figura 3.3 - Esquema da ATM.

3.3 - MSCULOS DA MASTIGAO

A energia que move a mandbula e permite o funcionamento do sistema mastigatrio fornecida

pelos msculos.

So quatro os msculos chamados msculos da mastigao:

- o masseter - o temporal- o pterigideo mdio- o pterigideo lateral.

Os msculos chamados digstricos, apesar de no serem considerados msculos da mastigao,apresentam uma funo importante na funo mandibular.

Masseter: um msculo forte que proporciona a fora necessria para uma mastigaoeficiente. Quando as fibras do masseter se contraem, a mandbula se eleva e os dentes entram emcontato uns com os outros.

Temporal: um msculo grande em forma de leque que se origina da fossa temporal e dasuperfcie lateral do crnio. Quando todo o temporal se contrai a mandbula se eleva e os dentesentram em contato. um importante msculo posicionador da mandbula.

Pterigideo mdio (interno): quando as fibras deste msculo se contraem, a mandbula elevada e os dentes entram em contato. Ele forma juntamente com o masseter, um suspensriomuscular que sustenta a mandbula na altura do ngulo mandibular. Este msculo tambm atua para protruir a mandbula.

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Pterigideo lateral (externo): estes msculos se dividem em: pterigideo lateral inferior e pterigideo lateral superior. Quando o pterigideo lateral inferior direito e esquerdo se contraemsimultaneamente, os cndilos so puxados para baixo nas eminncias articulares e a mandbulase protrui. Quando esse msculo atua juntamente com as depressoras mandibulares a mandbula abaixada e os cndilos deslizam para frente e para baixo nas eminncias articulares. Enquantoo pterigideo lateral inferior atuante na abertura da boca, o superior permanece inativo,atuando somente em conjuno com os msculos elevadores. O pterigideo lateral superior muito atuante quando h fora de resistncia (movimentos que envolvem o fechamento damandbula com resistncia, por exemplo, na mastigao) e quando os dentes so mantidosfechados.

Digstricos: apesar de no serem considerados msculos da mastigao, os digstricosapresentam uma funo importante no funcionamento da mandbula. Quando os digstricosdireito e esquerdo se contraem e o osso hiideo preso pelos msculos suprahiideos einfrahiideos, a mandbula abaixada e puxada para baixo e os dentes desocluem. Quando amandbula se estabiliza, os msculos digstricos juntamente com os msculos suprahiideos einfrahiideos elevam o osso hiideo, que um procedimento necessrio para engolir. Osmsculos digstricos so um dos muitos msculos que abaixam a mandbula e elevam o osso

hiide. De uma forma geral os msculos que se prendem da mandbula ao osso hiide sochamados suprahiideos e os que se prendem do osso hiide at a clavcula e esterno sochamados infrahiideos.

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Figura 3.4 - Msculos da mastigao.

3.4 - BIOMECNICA DA ARTICULAO TEMPORO-MANDIBULARA ATM uma articulao composta, podendo ser dividida em dois sistemas distintos:

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a) Sistema articular: so os tecidos que envolvem a cavidade sinovial inferior, como por exemploo cndilo e o disco articular. Como o disco firmemente preso no cndilo pelos ligamentosdiscais lateral e mediano, o nico movimento que pode ocorrer entre estas superfcies a rotaodo disco na superfcie articular do cndilo, portanto o complexo cndilo-disco o sistemaarticular responsvel pelo movimento de rotao da ATM

b) Complexo Cndilo-disco: como o disco no firmemente preso fossa articular, ummovimento deslizante livre ocorre entre estas superfcies na cavidade superior. Este movimentoocorre como resultado da mandbula estar posicionada para frente, chamada de movimento detranslao. A translao ocorre nesta cavidade articular superior entre a superfcie superior dodisco articular e a fossa mandibular, permitindo que o disco articular atue como um osso no

calcificado auxiliando ambos os sistemas, e por essa atuao do disco justificvel classificar aATM como uma articulao composta.

Solberg, 1989, descreveu o movimento do disco articular de acordo com os movimentos damandbula, dividindo-o em etapas que seguem:

- fase de abertura: durante a abertura o disco articular gira posteriormente prximo ao cndilo,enquanto o complexo disco-cndilo se move para frente e para baixo, prximo eminncia

articular;

- abertura total: o deslize do disco anulado pela limitao do estiramento do msculo, pelaresistncia na cpsula e pela falta de superfcie articular disponvel. O exagerado movimento daabertura da mandbula alm deste ponto causa subluxao, tal como o movimento irregular,espasmdico do complexo disco-cndilo sobre as superfcies no articulares. Quando a boca aberta completamente, o tecido mole sugado nos lados pstero-laterais da articulao;

- fora de mordida: no fechamento, ou fora de mordida, a articulao recebe o mximo detenso. Neste ponto, repentinas foras perturbadoras so criadas sobre o cndilo, pela resistnciado bolo alimentar. A atividade na parte superior do msculo pterigideo lateral, no fechamento, produz um componente anterior de tenso sobre o disco e faz com que o disco se mova parafrente;

- posio oclusal: no fechamento total, o disco girado para frente, com as superfciesda articulao em uma ntima relao de contato.

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Figura 3.5 - Biomecnica da ATM.

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3.4.1 - DISFUNES DOCONJUNTOTEMPORO-MANDIBULAR

As desordens temporo-mandibulares caracterizam-se pelo desconforto no sistema mastigatrio(principalmente dor na regio do conjunto temporo-mandibular), agravados pela mastigao e

outro uso da mandbula, como por exemplo o bruxismo, mas independentemente da molstialocal envolvendo os dentes e a boca.

De acordo com a Associao Americana Dentria, aproximadamente 60 milhes de pessoas nosEstados Unidos da Amrica so afetadas pelas disfunes do conjunto temporo-mandibular,Gillespyet al , 1997.

3.4.2 - SINAIS ESINTOMAS DASDISFUNESTEMPORO-MANDIBULAR

Segundo Moskowitz [apud Solberg, 1989], os sintomas das desordens temporo-mandibulares so bem conhecidos e geralmente existe uma concordncia entre a comunidade cientfica a respeitode como esses sintomas se manifestam. Sintomas como a dor funcional, a no coordenao daarticulao temporo-mandibular e a restrio do movimento da mandbula caracterizam aclssica trade contra um variado nmero de sintomas.

O diagnstico das disfunes do conjunto temporo-mandibular feito atravs de alguns sintomase sinais clssicos que envolvem o conjunto temporo-mandibular, ouvidos, cabea, face e dentes.Do universo de sintomas e sinais, pode-se citar os principais, segundo Gillespyet al, 1997 eSolberget. al ., em 1989, quais sejam:

- estalidos da mandbula (um dos sintomas mais comuns);- travamento do conjunto temporo-mandibular;- mudana na ocluso dentria ou na fora de mordida;- sintomas no(s) ouvidos, como dores e perda de audio;

- dores de cabea severas (um dos sintomas mais comuns);- sensibilidade excessiva dos dentes; - dificuldade na abertura da boca.

Atravs da anlise do sintomas apresentados, pode-se verificar a dificuldade de obteno de umdiagnstico correto sobre as disfunes do conjunto temporo-mandibular, pois os sinaisapresentados muitas vezes conduzem a tratamentos equivocados, como por exemplo, com asdores de cabea severas, que muitas vezes so tratadas e confundidas com dores de cabeanormais ou anormalidades na cabea. Alm disso, muitos outros sintomas podem estar associados com as disfunes do conjunto temporo-mandibular como a sensibilidade luz, pois

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pacientes que apresentam o deslocamento do conjunto temporo-mandibular muitas vezes sofremde dores nos olhos, o que pode ser a causa da sensibilidade excessiva luz que este pacienteapresenta como sintoma. Fica evidente, portanto, a necessidade de uma estrutura de diagnsticoadequada para melho