Desenvolvimento de ortótese craniana personalizada para a correção da plagiocefalia posicional

Abstract

A plagiocefalia posicional é uma deformidade da cabeça caracterizada por um achatamento assimétrico do crânio causado principalmente por uma permanência prolongada da cabeça do recém nascido na mesma posição. Em casos graves, a criança é tratada com uma ortótese de remodelação craniana, que pode causar lesões cutâneas, suor excessivo, e desconforto. Nesta tese é apresentada uma nova estrutura com um gradiente de compressão mecânica personalizada às necessidades de remodelação da cabeça do recém-nascido. Para recolher informação necessária ao seu desenvolvimento, foram revistos métodos de desenho de estruturas com gradiente funcional e realizados três estudos: a) um estudo mecânico para avaliar a integração de sensores de pressão no interior da ortótese craniana, b) um sistema de medição para avaliar as pressões aplicadas pelas ortóteses atuais nas cabeças, e c) uma base de dados com dados clínicos que caracterizam as formas de cabeças com deformidade. Em seguida, para parametrizar o comportamento dinâmico à compressão da ortótese, permitindo diferentes velocidades de crescimento, várias estruturas de treliças cúbicas de corpo centrado foram fabricadas aditivamente. O comportamento mecânico destas estruturas foi avaliado, variando o tamanho das células unitárias e do diâmetro dos elementos. Paralelamente, foi avaliada a usabilidade de melancias como modelos de crescimento biológico das cabeças para serem remodeladas por ortóteses. Em seguida, a estrutura com gradiente funcional proposta foi transformada numa ortótese de acordo com as necessidades de remodelação da cabeça para uma forma-alvo normal. Dez modelos biológicos foram remodelados com ortóteses personalizadas, e o seu crescimento foi monitorizado, resultando em redução das assimetrias. Em geral, esta tese contribuiu com uma solução personalizada que poderá evitar algumas complicações das ortóteses tradicionais. A estrutura funcionalmente graduada para a ortótese oferece contacto total com a superfície da cabeça, e o seu comportamento dinâmico à compressão permite uma elevada personalização das velocidades de crescimento locais. Desta forma, a solução proposta poderá reduzir as áreas de alta pressão, e evitar a rotação da ortótese, potencialmente melhorando a eficiência do tratamento e a correção da deformidade. No entanto, são necessárias mais experiências e validação clínica para aplicação em seres humanos.

Deformational plagiocephaly is a head deformity characterized by an asymmetric flattening of the skull caused mostly by the infant´s head lying in the same position for prolonged periods. In severe cases, the infant is treated with a cranial remodeling orthosis, that may cause skin lesions, excessive sweating, and discomfort. In this thesis a novel lattice structure is presented, with a mechanical compression behavior gradient tailored to the remolding needs of the infant´s head. To gather the information needed for its development, a review focused on the design methods of functionally graded lattices and three studies were conducted: a) a mechanical study for the assessment of the integration of pressure sensors inside the cranial orthosis, b) a measurement system to assess the pressures applied by traditional orthoses on infant’s heads, and c) a database comprehending clinical data that characterizes the shapes of infant´s heads with the deformity. Then, to parameterize the dynamic compression behavior of the orthosis, to allow different head growth speeds, several body-centered cubic lattices were produced by additive manufacturing. The mechanical compression behavior of the lattices was evaluated through the variation of the unit cell size and truss diameter. Moreover, an experimental study was conducted to assess the usability of watermelons as biological growth models of infant´s heads to be reshaped by orthoses. Then, the proposed functional graded lattice was transformed into an orthosis according to a remodeling normal target head shape. Ten biological models were reshaped with custom orthoses, and their evolution was monitored, resulting in a reduction of the asymmetry. Overall, this PhD project contributed with a custom solution that has the potential to avoid some of the complications of traditional cranial orthoses. The functionally graded lattice structure for the orthosis offers total contact with the head surface, and its dynamic compression behaviour allows for a highly customized local growth speed. Thus, the proposed solution could reduce high pressure areas and prevent helmet rotation, potentially improving treatment efficiency and the deformity correction. Nevertheless, further experiments and clinical validation are needed for application in humans.