CONSTRUCTION OF A PROTOTYPE FOR AUTOMATION OF THE EQUINE CRYOTHERAPY PROCESS
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.7872669
Gabriel Anselme Branco
Juliana Gonçalves Enne Magalhães
Yago Pessanha Corrêa
Ana Paula Lopes Siqueira
RESUMO
No Brasil, a equinocultura, em expansão, está associada aos segmentos de exposições, eventos e esportes, gerando uma movimentação econômica na ordem de aproximadamente R$5,84 bilhões. A maior parte da população dos equinos está concentrada em estabelecimentos como Haras, centros hípicos, ranchos e centros de treinamentos. Em parceria com estes centros, ocorrem diversos estudos associados ao animal no campo da ciência com enfoque em medicina esportiva, aprimoramento genético e técnicas de diagnóstico clínico. Dentro do campo desses estudos, destaca-se a fisioterapia, responsável pela recuperação e reabilitação musculoesquelética do cavalo. Uma das técnicas mais utilizadas dentro da fisioterapia e também o objeto de estudo para a presente pesquisa é a Crioterapia, que utiliza o manejo do frio para o tratamento de diferentes lesões associadas ao sistema musculoesquelético. As tecnologias disponíveis no mercado, associadas a aplicação da Crioterapia, ainda são escassas, onde uma série de limitações são encontradas, que vão desde o processo de condicionamento da baixa temperatura, essencial para a efetividade do tratamento, até a portabilidade dos equipamentos, impedindo a possibilidade de uso em eventos e exposições. Diante dos desafios encontrados, o projeto direciona seus esforços ao desenvolvimento de um equipamento de baixo custo, utilizando a tecnologia de controle e automação, para atender esse mercado promissor e com alto potencial de desenvolvimento. O equipamento desenvolvido garante a constância da temperatura no decorrer de todo tratamento, bem como facilita o manejo e a aplicação, por dispensar equipamentos usuais e de difícil aceitação por parte do animal, como baldes e/ou botas de gelo.
Palavras-chaves: Crioterapia. Protótipo. Equino. Lesões.
ABSTRACT
In Brazil, the equinoculture, in an ascending way, has association with the segments of expo, events and sports, generating an economic movimentation around R$ 5.84 billion. Most of the equine population is concentrated in establishments such as farms, equestrian centers, ranches and training centers. In partnership with these centers, there are several studies associated with the animal in the field of science with focus on sports medicine, genetic improvement and clinical diagnostic techniques. Within the field of these studies stands out the physiotherapy, responsible for the recovery and musculoskeletal rehabilitation of the horse. One of the most used techniques within physiotherapy and also the object of study for this project is the Cryotherapy, which uses cold management for the treatment of different injuries associated with the musculoskeletal system. The technologies available on the market, associated with the application of Cryotherapy are still scarce, where a number of limitations are encountered, ranging from the process of conditioning the cold temperature, essential for the effectiveness of treatment, to the portability of equipment, preventing the possibility for use in events and expos. Given the challenges encountered, the project directs its efforts to the development of a low-cost equipment, using control and automation technology, to serve this promising market with high development potential. The developed equipment guarantees the maintenance of temperature throughout the entire treatment, as well as facilitates handling and application, by dispensing with usual equipment difficult for the animal to accept, like ice buckets or boots.
Keywords: Cryotherapy. Prototype. Equine. Injuries.
1 INTRODUÇÃO
O cavalo é um animal que, há séculos, fascina o homem sendo visto como uma figura representativa de poder, muitas vezes relacionado aos Deuses antigos (KELEKNA, 2008) e cuja história evolutiva, em muitos pontos, se confunde com a história do desenvolvimento das civilizações, fator determinante no domínio de povos e na conquista de territórios. A exemplo, um dos maiores conquistadores, Genghis Khan, tinha sua força inteiramente na cavalaria, que fora rigorosamente organizada em uma base decimal, tanto para conseguir o controle político como para assegurar a disciplina militar (ALLSEN, 1994).
Segundo Roessler e Rink (2006), a origem dos esportes equestres está relacionada à utilização do equino para fins bélicos. A corrida de cavalos, com a qual sociedade grega, etrusca e romana permaneceu obcecada até o final da antiguidade, foi uma consequência direta da guerra como era praticada no fim da Idade do Bronze (ROSA, 2013).
Desde então, diferentes modalidades esportivas equestres surgiram como Corridas, 11 Enduro, Salto, Concurso Completo de Equitação, Volteio, Adestramento, Rodeio, Tambor e Baliza e Pólo (HODGSON; ROSE, 1994). Entretanto, devido às modificações ocorridas nas últimas décadas e a dimensão social e econômica cada vez mais expressiva nesta área, a atividade equestre assumiu predominantemente um caráter profissional, com grandes investimentos em animais de alto valor genético; consequentemente o nível de exigência, no que se refere ao desempenho atlético destes animais, tornou-se muito maior (NETO, 2009).
Dentro do contexto apresentado e baseado na importância da Crioterapia na prevenção e tratamento de lesões, proporcionando bem estar aos equinos atletas, a motivação do presente projeto deve-se ao fato da necessidade do aprimoramento desta terapia, visto que o mesmo ainda se baseia em técnicas simples, como a aplicação de gelo e imersão do membro em água gelada (HAYES, 2003), objetivando o desenvolvimento de um protótipo a fim de fornecer um método mais eficaz com controle de temperatura e ação na área de tratamento, tendo em sua portabilidade a capacidade de utilização em qualquer locação.
2 DESENVOLVIMENTO
A Crioterapia apresenta seu melhor resultado quando aplicada imediatamente no pós trauma, justificando seu uso em um primeiro momento após atividades intensas, onde não só lesões como também micro lesões podem ser geradas. O tratamento crioterápico tem modalidades de frio entre 0 a 18,3°C, a depender da técnica, análise metabólica do paciente, lesão, duração e superfície de aplicação, com benefícios obtidos quando a pele atinge temperaturas de cerca de 13,8°C, que permite uma redução de fluxo sanguíneo, sendo alcançado o efeito analgésico em torno de 14,4°C (STARKEY, 2001). Ainda assim, há de cuidar para que a temperatura da pele não esteja abaixo de 0°C, uma vez que a partir desta, pode vir a causar lesões graves e prejudicar tecidos do animal; logo, o monitoramento da temperatura de tratamento é essencial. Junto a temperatura, o tempo de aplicação é a outra variável importante para o melhor resultado crioterápico. As camadas do tecido animal impedem a troca de calor, logo, há um aumento no tempo estimado de aplicação variando entre 20 a 40 minutos, proporcional à profundidade da lesão (CHAVES; ARAUJO; BRANDAO, 2008; GUIMARAES, 2006; PEDRO; MIKAIL, 2009).
Encontram-se disponíveis no mercado diversos métodos de resfriamento, sendo o mais utilizado a aplicação de gelo diretamente no local da lesão, podendo ser feita por meio de sacos plásticos, compressas ou bolsas de gelo. Outros métodos encontrados são a imersão dos membros em recipientes contendo água e gelo, bandagens de gel, botas comerciais, massagens com gelo, turbilhonamento, duchas e sprays, todos com a finalidade de promover a troca de calor por condução, entre a superfície lesionada do animal e o equipamento crioterápico (GUIMARAES, 2006; PEDRO; MIKAIL, 2009; FALEIROS; SOARES, 2007). Alguns dos métodos citados são representados nas Figura 1 e Figura 2.
Figura 1: Métodos Crioterápicos – A: Bolsa de Gelo; B: Botas Comerciais
Figura 2: Métodos Crioterápicos – A: Botas de Turbilhonamento; B: Compressa de Gelo
Apesar de ser um tratamento caracterizado como simples, utilizando o manejo da temperatura, e também comprovadamente eficaz, uma das maiores dificuldades da Crioterapia é o controle exato da temperatura no local da lesão, visto que a troca de calor corporal do animal com o meio de resfriamento (gelo, água, gel, spray e gases) é constante, e sabe-se que ao perder capacidade de resfriamento, altera-se a efetividade do tratamento, já que a área lesionada deve-se manter em temperaturas entre 0 a 18ºC. (STARKEY, 2001).
As tecnologias disponíveis no mercado relacionadas à Crioterapia animal ainda são escassas, sendo a maioria dos tratamentos dependentes de uma fonte externa para refrigerar o fluido, como uso de gelo; o que limita a aplicação da Crioterapia nos locais de competições e exposições, por exemplo. Dentro dessa realidade, pode-se destacar o equipamento Game Ready Equine & Vet System, representado na Figura 3, onde uma bolsa portátil abastecida com gelo é utilizada para bombear fluido a uma manta instalada no local da lesão (EQUINE, 2021). Além da limitação imposta pela necessidade de abastecimento com gelo, outra limitante é o custo que varia entre 25 a 38 mil reais e a indisponibilidade do aparelho no mercado nacional, o distanciando do consumidor no Brasil.
Devido aos benefícios ao bem estar do animal encontrados na Crioterapia, o projeto direcionou seus esforços à uma alternativa tecnológica de baixo custo, onde foram aplicados conhecimentos de automação para atender esse mercado promissor e com alto potencial de investimento, que valoriza o perfil de qualidade do animal, com proprietários cada vez mais exigentes e atentos às novas oportunidades. Nesse sentido, o equipamento foi pensado levando em conta os desafios da aplicação do tratamento Crioterápico no cenário atual, onde a portabilidade, controle de temperatura do tratamento e aquisição de dados são condições a serem melhoradas quando analisados os equipamentos disponíveis no mercado.
Figura 3: Equipamento Game Ready Equine & Vet System
A partir do momento em que são pensadas tecnologias novas, ou já existentes, para a realização de procedimentos como a Crioterapia, instantaneamente é feita uma conexão com o tema Controle e Automação. Qualquer que seja a tecnologia abordada em tais procedimentos, se faz necessária a utilização de sistemas e componentes eletroeletrônicos de modo a realizar uma conversão de corrente, a aquisição e monitoramento de dados e variáveis, ou ainda a decisão entre uma ação ou outra a ser tomada, para o controle e manipulação das variáveis, entre outras condições.
O protótipo desenvolvido consiste em dois módulos e um umbilical de interface modular, sendo o primeiro módulo responsável pelo condicionamento do fluido para tratamento criogênico e o segundo módulo por possibilitar o recebimento do fluido refrigerado e a aplicação na região a ser tratada no equino. O umbilical de interface modular tem a função de conectar os módulos e transferir fluidos e sinal da variável de temperatura da manta. Pode-se, então, visualizar o escopo de cada parte integrante do projeto na Figura 4.
Figura 4: Representação Gráfica dos Módulos
O primeiro módulo é composto por uma caixa de fácil transporte de dimensões 50 cm x 25 cm x 24 cm e 6,275 kg como peso final, sendo composta pelo sistema elétrico e de alimentação, sistema hidráulico e de refrigeração, somado ao sistema de controle e aquisição de dados, tendo a disposição representada no esquemático da Figura 5. A função do módulo é armazenar e refrigerar o fluido à temperatura de tratamento crioterápico, que está entre 0 e 18,3ºC, além de promover a circulação deste no sistema através de uma lógica de programação.
Parte fundamental do primeiro módulo, o sistema de alimentação é composto por uma fonte bivolt 110VAC-220VAC conversora para 12VDC 20A que alimentará o conjunto composto por placas termoelétricas, coolers, bomba de sucção e válvula solenoide.
Para a montagem do sistema elétrico, foi feita uma abertura na caixa de transporte para instalação da tomada elétrica que conectará a fonte à rede de alimentação do usuário. Equipou-se à saída da fonte um fusível de 25A com o intuito de proteger o sistema contra sobrecargas.
Após a instalação da fonte de alimentação, realizou-se a montagem do
Arduino, módulo de relés e bloco terminal no trilho DIN 35mm e instalação da protoboard. O Arduino mostrou possuir a robustez necessária ao projeto, (Figura 5)
Figura 5: Primeiro Módulo – Caixa Criogênica
devido a grande quantidade de periféricos e componentes necessários ao desenvolvimento, pois totaliza 20 entradas/saídas, quando considerados tanto os pinos digitais quanto os analógicos.
Prosseguiu-se então para a instalação dos botões de acionamento, start e seleção de temperaturas. Seguida a essa etapa, fez-se os furos para encaixe do sistema de exaustão dos coolers e os furos da entrada do conector que liga o sensor de temperatura do módulo 3 na caixa e as conexões de ¼ JIC macho que serão utilizadas para entrada e saída de água. As conexões com o Arduino foram feitas com códigos de cores para facilitar qualquer necessidade de manutenção no mesmo.
Acerca dos objetivos e pontos positivos planejados para o projeto, logo é considerado o sistema de refrigeração, visto que é primordial para o equipamento desenvolvido. Associando sua importância ao objetivo de alcançar a praticidade, baixo custo e maior portabilidade, o método da pastilha termoelétrica é visto como a melhor opção frente as demais apresentadas. Seu tamanho minimalista, em conjunto ao baixo preço, grande eficiência e baixo consumo em sua alimentação, fazem dela parte extremamente importante do projeto. Entretanto, após a realização de diversos testes de desempenho, percebeu-se que, para se obter um resultado ainda mais satisfatório, é imprescindível a utilização conjunta de um dissipador de calor e um cooler de refrigeração.
Após definição da configuração a ser utilizada pelo sistema de refrigeração, iniciou-se a seleção e montagem do tanque de resfriamento. Para o projeto utilizou-se uma caixa de inox de dimensões com capacidade para aproximadamente 1,8 litros, onde foram feitos dois furos para receber as duas conexões de engate rápido de ¼ x 6mm, sendo uma dedicada à entrada e outra à saída. Com o auxílio de pasta térmica, para facilitar a troca de calor, instalou-se o sistema de refrigeração, já citado, em contato com o exterior do tanque, conforme a Figura 6.
Figura 6: Sistema hidráulico refrigerado
Prosseguiu-se com a instalação de um sensor de nível no tanque (chaveamento on/off) para detectar presença de fluido e um sensor de temperatura
(DS18b20) para medição desta variável interna no tanque de resfriamento. Após a instalação dos componentes citados, realizou-se a prova de funcionamento da chave do sensor de nível com o auxílio de um multímetro, por meio de um teste de continuidade, constatando-se o sinal de fechamento no circuito interno do multímetro quando em nível alto, e não continuidade quando em nível baixo.
A partir desse momento, todo primeiro módulo encontrou-se apto para ser levado a testes de bancada, conforme pode ser observado na Figura 7.
Desta forma, conclui-se integralmente a construção e desenvolvimento do primeiro módulo, permitindo dar sequência à construção do segundo módulo e do umbilical.
Figura 7: Testes de bancada
O segundo módulo consiste na manta de aplicação, com a capacidade de se adaptar a parte do corpo do equino a ser tratado e receber em seu interior o fluido, o qual será responsável pela troca de calor com o animal, realizando o tratamento crioterápico na área lesionada. Instalado à manta, esse módulo também contempla o sensor de temperatura, responsável por medir em tempo real a variável durante o tratamento e fornecer a leitura da mesma por meio do sistema de aquisição contido no primeiro módulo, conforme ilustrado na Figura 8.
Parte fundamental do segundo módulo, a manta, que possui dimensões de 45×30 cm e com capacidade de aproximadamente 1 litro, tem seu exterior confeccionado em Neoprene, um tecido maleável, impermeável e emborrachado que isola todo o sistema interno da temperatura ambiente, prolongando a baixa temperatura e viabilizando que a troca ocorra apenas com o animal. O interior da manta, por sua vez, é composto por duas camadas de tecido nylon, viabilizando a impermeabilidade e a facilidade na troca de calor. Esse tecido assegura ainda maior resistência, além de evitar a adesão de impurezas e danos ao equipamento, e assegurar que o líquido refrigerado à baixa temperatura não entre em contato com a pele do animal. Figura 8.
Figura 8: Segundo Módulo – Manta Térmica
O umbilical, que é utilizado como interface entre os módulos, é composto por duas mangueiras de 1,20 m de comprimento com conexões JIC ¼ fêmea que serão ligados na entrada e saída dos módulos 1 e 2, além do condutor para alimentação e feedback do sensor de temperatura, que será ligado na entrada na caixa criogênica.
3 RESULTADOS
Para a realização do primeiro teste de campo do equipamento desenvolvido, foi utilizada uma égua da raça quarto de milha, de pelagem alazã tostada, nome Elektra Cash Leo e com seus 7 anos de idade. O ambiente do teste consistiu na área externa de um laboratório de reprodução, onde o indivíduo (Elektra) foi colocado em um brete de contenção, para que se mantivesse parada durante todo o tratamento teste.
Para efeito de comparação pré e pós tratamento, foi capturada uma imagem térmica antes de se iniciar o processo. Na Figura 9, abaixo, é possível visualizar que a temperatura do membro do equino se encontrava a 23,8ºC.
Figura 9: Temperatura anterior ao tratamento
Para dar prosseguimento, foi realizado o envolvimento do membro anterior direito do animal com a manta de tratamento. Após serem firmados todos os velcros, aproximou-se a caixa de tratamento e então, como pode ser visto na Figura 10, conectou-se os módulos 1 e 2 por meio do umbilical.
Com o intuito de iniciar o tratamento, os tanques foram preenchidos com água e o protótipo foi então conectado a uma tomada capaz de fornecer 110 V. O botão On/Off foi então apertado, após, apertou-se o botão Start, que habilitou a bomba de sucção, responsável por alimentar a manta de tratamento com o fluido já refrigerado. A partir deste momento, tornouse possível acompanhar a troca de calor da região tratada com o fluido- Figura 10.
Com o intuito de iniciar o tratamento, os tanques foram preenchidos com água e o protótipo foi então conectado a uma tomada capaz de fornecer 110 V. O botão On/Off foi então apertado, após, apertou-se o botão Start, que habilitou a bomba de sucção, responsável por alimentar a manta de tratamento com o fluido já refrigerado. A partir deste momento, tornou-se possível acompanhar a troca de calor da região tratada com o fluido refrigerado, por meio da leitura da temperatura realizada pelo sensor e exibida instantaneamente no visor.(figura 10)
Figura 10: Equipamento preparado para início do tratamento
Como foi programado, quando a temperatura no interior da manta superou o limite máximo (neste caso 13ºC), o sistema automaticamente percebeu e realizou então a troca, novamente indicando pelo visor esta ação e então injetando mais fluido refrigerado.
Ao final dos 15 minutos programados, o alarme sonoro e o visor indicam o fim de um ciclo de tratamento completo. Com a conclusão de todo tratamento teste, o equipamento foi desligado e retirado do animal. Imediatamente foi capturada um nova imagem térmica, Figura 11, que reafirma a eficiência do protótipo desenvolvido, pois possibilita visualizar que o membro do equino sofreu uma queda considerável de temperatura, se mantendo dentro do range pré-determinado pelo tratamento e alcançando 11,4ºC.
Figura 11: Temperatura imediatamente após tratamento
4 CONCLUSÃO
Compreende-se que o equipamento cumpriu com o proposto à medida que contribui para uma alternativa mais eficiente de tratamento crioterápico em equinos. Os resultados obtidos indicaram que as soluções para as demandas citadas no inicio deste trabalho foram alcançadas, visto que o protótipo mitiga a dificuldade de obtenção do gelo em locais remotos, a aceitação do animal às técnicas alternativas e a pouca duração da temperatura como com o uso de gelo. Desta forma, o protótipo fornece ao usuário uma tecnologia que aumenta a eficiência durante a aplicação da Crioterapia.
Ainda se faz necessário tratar esta conquista como um pequeno avanço em meio à inúmeras possibilidades, visto que, por exemplo, com a possível implementação de um sistema para obtenção de relatórios, o equipamento se tornaria um aliado ainda mais significativo à medicina veterinária, possibilitando então não só o tratamento em si, mas o registro e estudo mais aprofundado de seus resultados.
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