Departamento de Engenharia Mecânica DESENVOLVIMENTO DE UM APARATO PARA DAR SUPORTE AO DESLOCAMENTO DO IDOSO COM DEFICIÊNCIA Aluno: Luiza Silva de Souza Loureiro e José Carlos Lobo Santiago Orientador: Djenane C. Pamplona e Hans Ingo Weber Introdução Locomoção consiste no ato de se mover de um lugar ao outro, independente da forma como isso seja feito. Deambulação é a locomoção bípede ou de um pé. Objetos que auxiliam na deambulação de pessoas com alguns transtornos, tais como bengalas, muletas e andadores, são constantemente usados. São dispositivos de mão que ajudam a pessoa a ficar de pé e a andar. Esses auxiliadores tem a função de aumentar a estabilidade, aumentando a base de suporte do indivídio. A base de apoio consiste na área delimitada por uma linha que liga o perímetro de todos os pontos de contato com o solo. Para uma pessoa ser estável em pé ou andando, a projeção de seu centro de gravidade deve situar-se dentro da base. A estabilidade é aumentada quando aumenta-se tal base de apoio. A escolha do dispositivo adequado vai de acordo com a força, a resistência e o equilíbrio do usuário. Bengalas podem ajudar a redistribuir o peso de um membro inferior que é fraco ou doloroso, melhora a estabilidade, aumentando a base de apoio e fornece informações táteis sobre o solo para melhorar o equilíbrio. Andadores melhoram a estabilidade em pessoas com fraqueza nos membros inferiores ou que sofrem de falta de equilíbrio, facilitando a mobilidade através do aumento da base de suporte. Já as muletas são úteis para pacientes que precisam usar os braços para propulsão e sustentação parcial de peso, e não apenas para o equilíbrio. Entretanto o uso de muletas aumenta o gasto energético do usuário se comparado com a marcha normal. Segundo Shoup et al., baseado em uma análise cinemática, esse aumento do gasto energético acontece devido a variação do centro de massa do corpo do paciente, além do impacto da muleta com o chão e a movimentação necessária de balanço do corpo e das muletas. É função dos braços e dos ombros, portanto, absorver a energia da movimentação no momento em que ocorre o impacto das muletas com o solo. As muletas existentes são as não-axilares e as axilares. As não-axilares também são conhecidas como muletas de antebraço e muletas canadenses. Essas se apoiam em torno do antebraço do usuário. O apoio do antebraço se liga a uma barra vertical, de modo que uma parte do peso do usuário é transferido através de suas mãos e seus antebraços para o solo. Porém, as muletas canadenses ainda não oferecem ao usuário um equilíbrio ideal, uma vez que a distribuição de peso nas mãos e nos antebraços levam o corpo a deslocar-se para frente. As muletas axilares apoiam-se nas mãos e nas axilas. O apoio para as mãos é coberto com um material almofadado para proteger a palma do utilizador. Já o apoio axilar é geralmente coberto por um material com elevado coeficiente de fricção para diminuir o movimento abaixo dos braços. A ponta da muleta axilar é normalmente feita de borracha para assegurar a fricção. O paciente deve ter força, equilíbrio e coordenação suficiente para dominar o aparato, e deve ser treinado para usá-lo corretamente. As muletas podem ser feitas de madeira, alumínio, fibras de carbono, titânio e etc. Usando um par de muletas o usuário pode transferir até 100% de seu peso corporal para as mãos e axilas – esse valor varia durante a marcha. Elas oferecem ao usuário melhor suporte de tronco do que as muletas de antebraço, além de permitir-lhes a liberação de suas mãos para realizar suas atividades. Apesar das muletas axilares serem muito antigas, há poucas tentantivas de aprimoramento das mesmas. São elas, por exemplo, a suspension crutch, a rocker crutch, a spring crutch e a prosthetic foot crutch. A suspension crutch (Figura 1.a) consiste em uma muleta ligada a um cinto com alças laterais que tem como objetivo redistribuir o peso do usuário, de forma que este não é apenas suportado pelos braços, mas também pela área perineal. Constatou-se um menor gasto energético na locomoção e concluiu-se como desvantagem o perigo de se estar preso por alças e a falta de estabilidade. A rocker crutch (Figura 1.b) apresenta um design mais complicado e pesado se comparado com as demais criações. Porém, seu contato com o solo é maior devido a uma viga curva posicionada na ponta da muleta, com a base de uma cadeira de balanço. Já a spring crutch (Figura 1.c) possui um sistema de molas localizado no eixo da muleta. Tem como vantagem um aumento da passada e uma maior absorção do choque obtido quando as muletas encostam no chão. Por fim, a prosthetic foot crutch (Figura 1.d) apresenta um pé na base, como forma de armazenar energia. Este utiliza a deformação elástica de uma mola interna para absorver impactos e retornar a energia para o usuário. (1.a) (1.b) (1.c) (1.d) Figura 1. Exemplos de muletas axilares. (a) Suspension Crutch; (b) Rocker Crutch; (c) Spring Crutch; (d) Prosthetic Foot Crutch Segundo LeBlanc et al. a muleta axilar tem um dos menores gastos de energia, quando comparado com outros quatro tipos de muleta acima. Bose at al. afirma que usando-se a muleta axilar de forma incorreta, cerca de 34% do peso corporal foi suportado pelas axilas. Ainda assim, mesmo que utilizada de forma correta essa muleta pode induzir alguns problemas graves na região axilar como: compressão do nervo radial (Figura 2.a) e trombose da artéria axilar (Figura 2.b) pela barra axilar da muleta. Isso ocorre devido à parte do peso do corpo ser suportado, durante a caminhada, diretamente entre pela barra axilar e a parte lateral do corpo abaixo da axila. O uso correto da muleta axilar é de extrema importância para a saúde do paciente, pode minimizar os problemas. (2.a) (b) Figura 2. (a) Nervo Radial; (b) Artéria axilar Pamplona DC et al. (2000) instrumentou-se uma muleta com extensômetros de roseta de forma a realizar uma aquisição de dados, usando um sistema da Texas Instruments para o portador parado e com o mesmo se deslocando. Foram identificados então esforços de torção para os quais a muleta em questão não havia sido calculada. Objetivo As muletas axilares não são uma criação recente. Vê-se sua presença nos desenhos que existem desde o Egito Antigo, cerca de 2830 a.C. (Figura 3). Elas sofrerem poucas modificações e inovações nos últimos anos e por isso são pouco utilizadas. Os indivíduos que normalmente as usam tem pouca força nas pernas. Figura 3. Filhos de Echnaton com muletas, 1350 a.C. (Museu Egípcio, em Berlim) Michael Whittle, em “Análise da Marcha”, explica que a muleta pode oferecer mais apoio do que uma bengala porque tem dois “pontos de fixação” para o corpo – a mão e a região axilar. Assim, a muleta permite à pessoa uma maior mobilidade, tirando a tensão do membro deficiente. Elas também podem fornercer pistas sensoriais através das mãos, descarga dos membros inferiores e permitir o usuário estar na vertical e manobrar em áreas não acessíveis com uma cadeira de rodas. Tendo em vista que os maiores problemas da muleta axilar são: um esforço daninho transmitido para as regiões axilares, levando a problemas corporais; o impacto da muleta no chão, aumentando o gasto energético; e a dificuldade de mobilidade vertical; além de sua aparência pouco estética, o presente trabalho empenha-se em minimizar todas estas questões, criando uma muleta axilar que seja funcional, interaja com o usuário e também seja esteticamente agradável para quem a utiliza. Portanto, o objetivo do projeto é desenvolver um aparato inovador, personalizado, leve, resistente e com menor gasto metabólico e energético possível. Além disso, deseja-se permitir que usuário que faz uso desse objeto seja capaz de deslocar-se em desníveis e degraus, sentar e levantar sozinho, com isso aumentando sua possibilidade de deslocamento vertical. Mais do que isso, deseja-se criar um objeto extremamente pessoal – como um par de óculos – e que cada indivíduo faça suas escolhas buscando uma melhor adequação, visando além do conforto, a estética. Busca-se a muleta ideal para cada usuário, de forma que ele realmente sinta que a mesma foi desenvolvida particularmente para a sua locomoção e conforto. Metodologia Para atender as necessidades dos usuários de muletas da melhor forma possível, projetou-se uma muleta axilar. O projeto possui cinco frentes: inovação e personalização, saúde, mobilidade, estrutura e conforto. 1. Inovação e personalização: Já existem modelos de bengalas e muletas de antebraço bastante sofisticados e personalizados, como podemos observar nas figuras 4 e 5. Porém para muletas axilares nada foi desenvolvido. A equipe de Arte e Design da PUCRio, liderada pela professora Vera Damazio, é parceira e reponsável por pensar em um objeto inovador capaz de atender a todas as necessidades do usuário de forma útil e esteticamente agradável. Figura 4. Bengalas personalizadas Figura 5. Muletas de antebraço personalizadas 2. Saúde: A muleta axilar mesmo que utilizada de forma correta pode induzir alguns problemas graves como: trombose da artéria axilar e a compressão do nervo radial pela barra axilar da muleta. A fim de aliviar o esforço excessivo na região axilar devido ao peso do corpo ser suportado pela barra axilar ali localizada, criou-se um aparato auxiliar de sustentação do usuário capaz de redistribuir o peso corporal. Dessa forma, a região perineal e os membros inferiores passam a sustentar grande parte do mesmo. Para quantificar o alívio das tensões é preciso determinar os valores de pressão que atuam na região axilar. Isso foi feito com o uso de 6 sensores de pressão FlexForce com capacidade de até 11 Kg cada (Figura 6). Os dados foram aquisitados com o sistema cDAQ na National Instruments de 3 canais. Os sensores #1, 3 e 5 esavam em contato com o braço e os sensores #2, 4 e 6, com o corpo (Figura 7). Os testes foram realizados em caminhadas com indivíduos sadios que tem uma das pernas imobilizadas numa passarela de 6 metros. Cada indivíduo realizou três caminhadas de ida e volta, com tempo de percurso cronometrado, trocando a muleta instrumentada de braço. Os indivíduos caminharam utilizando a muleta de forma correta, como descrito no anexo I. Os testes foram realizados com e sem aparato auxiliar de sustentação sendo então as tensões encontradas comparadas. Figura 6. Sensor de pressão FlexForce Figura 7. Disposição dos 6 sensores de pressão no suporte axilar da muleta 3. Mobilidade: 3.1. A grande desvantagem da muleta axilar é o deslocamento vertical seja para sentar e levantar, seja para subida de degraus. Visando melhorar a mobilidade, foi criado um sistema de atuação eletrônico capaz de recolher e extender a muleta melhor adaptando-a às limitações. Este sistema consiste em um atuador elétrico montado junto a base muleta de forma que quando extendido mantenha a muleta em seu curso máximo e quando retraído em seu curso mínimo. Para este fim, foi utilizado um atuador (Figura 8) com curso máximo de 45,72 cm, capacidade estática e dinâmica de 445 N e velocidade de 6,35 cm/s, figura 6. Este atuador ainda possui um encoder anexado ao seu motor, o que possibilita o sistema eletrônico saber exatamente o curso do atuador durante sua operação. O sistema eletrônico é baseado em um Arduino UNO que lê a posição da muleta enviada pelo encoder e a controla conforme a necessidade do usuário. Para isso foram presos dois botões no apoio manual da muleta, um responsável para subir e outro para descer. Para evitar que a muleta de um dos lados suba ou desça mais do que a outra foi implementado um sistema de controle autônomo baseado nas medidas dos encoders que ajusta a posição da muleta da esquerda sempre que o usuário altera a da direita. Com o objetivo de comunicar as duas muletas sem que seja necessário um fio entre elas, foi implementado um sistema de comunicação via radiofrequência. Este sistema funciona a uma frequência de 433MHz. A comunicação funciona por porta serial presente no controlador de cada muleta a um baud rate de 9600. Para controlar o consumo das baterias, a autonomia e a posição de cada muleta, o sistema ainda possui uma comunicação via bluetooth com smartefones que possibilita ao usuário verificar as funções do aparato de seu telefone celular. Figura 8. Atuador eletrônico 3.2. Como dito na Introdução, a muleta axilar é capaz de causar danos graves à região axilar. Segundo Ackermann at al. a utilização de um sistema elástico capaz de absorver impactos da muleta com o chão, além de armazenar e devolver energia, é um dos mais recomendados mecanismos para minimizar o gasto energético de uma marcha com muleta axilar. Ademais, foi instalado na ponta da muleta uma mola de 20 kN/m e 23 mm de diâmetro externo capaz de diminuir seu impacto com o solo e ajudar na impulsão do usuário. Para quantificar a importância da mola no impacto é preciso determinar os valores de pressão que atuam na região axilar, estes ensaios foram realizados da forma descrita no ítem anterior. O testes foram realizados em caminhadas com indivíduos sadios que tem uma das pernas imobilizadas numa passarela de 6 metros. Cada indivíduo realizou três caminhadas de ida e volta, com tempo de percurso cronometrado, trocando a muleta instrumentada de braço. Foram utilizados três indivíduos e os testes foram realizados utilizado muletas com e sem a mola sendo então as tensões encontradas comparadas. 4. Estruturas: Inicialmente é necessário conhecer os esforços atuantes no protótipo da nova muleta, para identificação dos possíveis problemas estruturais. Nesta fase, o protótipo foi instrumentado por extensômetros (tipo em roseta) a ser testada foi realizada uma análise estrutural utilizando o método de elementos finitos com o programa Abaqus para otimização do dimensionamento e escolha do material. 5. Conforto: 5.1. Os suportes axilares e manuais devem ser feitos de material agradável ao tato e cobertos por um material com alto coeficiente de fricção. Dessa forma, é possível escolher o material que melhor se adequa as solicitações corporais. 5.2. Para ajudar na locomoção do indivíduo por diversos tipos de superfície, foram desenvolvidas ponteiras para situações como: locomoção em neve, areia, jardim e lugar molhados, como borda da piscina. Para atender as socilitações essas ponteiras possuem uma base larga de forma circular e antiderrapante. Para tanto foram elaborados protótipos que foram testados em laboratório, com cargas compatíveis em superfícies que representem o piso em questão. Mediu-se o afundamento da ponteira em cada tipo de superfície para qual um novo modelo da mesma foi desenvolvida colocando-se um peso representativo da carga do usuário de muleta. Resultados 1. Saúde: Resultados para o uso do aparato auxiliar Figura 9: Usuário com o sistema de cintos de suspensão. Usuário: José Carlos Lobo Santiago Neto 81 Kg Resultados do 1º dia (Médias em cada sensor) Com aparato auxiliar Tempo (m) # pontos Sensor 1 2 3 4 5 6 Média Média fora Média dentro ida 1 9,4 1.000 volta 1 8,88 1.130 ida 2 9,3 1.030 volta 2 8,41 940 Média 0,174 0,047 0,148 0,067 0,054 0,298 0,131 0,125 0,137 0,136 0,064 0,140 0,069 0,050 0,254 0,119 0,109 0,129 0,099 0,056 0,114 0,099 0,053 0,179 0,100 0,089 0,111 0,104 0,052 0,118 0,094 0,063 0,157 0,098 0,095 0,101 0,128 0,055 0,130 0,082 0,055 0,222 0,112 0,104 0,120 Sem aparato auxiliar Tempo (m) Sensor 1 2 3 4 5 6 Média Média fora Média dentro ida 1 7,71 860 0,160 0,115 0,317 0,229 0,211 0,239 0,212 0,229 0,194 volta 1 8,4 880 0,111 0,082 0,201 0,234 0,180 0,164 0,162 0,164 0,160 ida 2 9,73 980 0,089 0,089 0,191 0,287 0,281 0,128 0,178 0,187 0,168 volta 2 9,5 870 0,113 0,111 0,233 0,322 0,268 0,158 0,201 0,205 0,197 Média 0,118 0,099 0,236 0,268 0,235 0,172 0,188 0,196 0,180 Resultados do 2º dia (Médias em cada sensor) Com aparato auxiliar Tempo (m) # pontos Sensor 1 2 3 4 5 6 Média Média fora Média dentro ida 1 volta 1 ida 2 volta 2 1.160 860 1.060 940 0,072 0,068 0,132 0,083 0,060 0,097 0,085 0,088 0,083 0,115 0,071 0,136 0,061 0,047 0,124 0,092 0,099 0,086 0,103 0,045 0,113 0,052 0,025 0,128 0,078 0,080 0,075 0,131 0,048 0,130 0,041 0,024 0,130 0,084 0,095 0,073 Média 0,105 0,058 0,128 0,059 0,039 0,120 0,085 0,091 0,079 Sem aparato auxiliar Tempo (m) # pontos Sensor 1 2 3 4 5 6 Média Média fora Média dentro ida 1 volta 1 ida 2 volta 2 720 910 1.020 760 0,145 0,110 0,244 0,157 0,166 0,181 0,167 0,185 0,149 0,055 0,028 0,159 0,119 0,163 0,111 0,106 0,126 0,086 0,093 0,091 0,209 0,117 0,114 0,116 0,124 0,139 0,108 0,062 0,079 0,189 0,152 0,129 0,126 0,123 0,127 0,119 Média 0,089 0,077 0,200 0,136 0,143 0,133 0,130 0,144 0,116 2. Mobilidade: Resultados para o uso de uma mola 20kN/m e 23mm de diâmetro externo Resultados do 1º dia (Médias em cada sensor) Sem mola teste 0 teste 1 teste 2 teste 3 Média Tempo (m) 7,85 7,81 7,46 7,48 Sensor /# pontos 1 2 3 4 5 6 Média 850 0,122 0,082 0,224 0,206 0,139 0,173 0,157 850 0,107 0,054 0,185 0,157 0,089 0,160 0,125 810 0,130 0,069 0,192 0,115 0,100 0,174 0,130 810 0,150 0,103 0,240 0,135 0,074 0,162 0,144 0,127 0,077 0,210 0,153 0,100 0,167 0,139 Média fora Média dentro 0,161 0,153 0,127 0,123 0,141 0,119 0,155 0,134 0,146 0,132 Com mola Tempo (m) teste 0 7,36 teste 1 6,93 teste 2 7,93 teste 3 7,56 Sensor /# pontos 1 2 3 4 5 6 Média 770 0,484 0,238 0,189 0,038 0,173 0,366 0,248 770 0,413 0,109 0,167 0,048 0,217 0,342 0,216 810 0,217 0,037 0,214 0,066 0,080 0,241 0,143 810 0,106 0,015 0,269 0,111 0,116 0,237 0,142 0,305 0,100 0,210 0,066 0,146 0,297 0,187 Média fora 0,282 0,265 0,171 0,164 0,220 Média dentro 0,214 0,166 0,115 0,121 0,154 Resultados juntos Para o uso da cadeira Média Média Redução c/cadeira s/cadeira % 1 2 3 4 5 6 0,117 0,057 0,129 0,071 0,047 0,171 0,104 0,088 0,218 0,202 0,189 0,153 12,6 -35,7 -41,0 -65,0 -75,0 12,1 Média 0,098 0,159 -38,1 Média fora Média dentro 0,097 0,100 0,170 0,148 -42,7 -32,7 Sensor Média Dispersão dos resultados 0,35 0,350 0,3 0,300 0,25 0,250 0,2 0,200 0,15 0,150 0,1 0,100 0,05 0,050 0 0,000 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 (a) 3 4 5 6 7 (b) Figura 10: Todos os resultados nos 6 sensores (a) sem cadeira; (b) com cadeira. Para o uso da mola Média com mola Média sem mola 0,13 0,08 0,21 0,15 0,10 0,17 0,14 140,19 29,35 -0,22 -57,08 45,67 77,13 Média 0,31 0,10 0,21 0,07 0,15 0,30 0,19 Média fora 0,22 0,15 51,06 Média dentro 0,15 0,13 16,19 % Sensor 1 2 3 4 5 6 34,47 Dispersão dos resultados 0,500 0,500 0,450 0,450 0,400 0,400 0,350 0,350 0,300 0,300 0,250 0,250 0,200 0,200 0,150 0,150 0,100 0,100 0,050 0,050 0,000 0,000 0 1 2 3 4 (a) 5 6 7 0 1 2 3 4 (b) Figura 11: Todos os resultados nos 6 sensores (a) com mola; (b) sem mola. 5 6 7 A média da pressão média dos sensores junto ao braço e ao corpo foram semelhantes com o uso do aparato auxiliar de sustentação. O uso desse aparato reduziu a pressão média nos sensores # 3 e 5 em um percentual de 41 e 75%, respectivamente, ambos no lado da muleta em contato com o braço. Reduziu também no sensor #4 em 65%, este em contato com o corpo. Todos os sensores tiveram a pressão reduziada com o uso do aparato, com excessão do #1 cuja pressão aumentou em 43%. Nos sensores junto ao braço houve uma redução de 45% (#3) e 49% (#5). Pode-se verificar que os sensores mais solicitados foram #1 (0,305) (com mola e próximo ao corpo). Já sem mola os sensores # 4; 3; e 6 foram os mais solicitados, todos os três com valores inferiores a 0,210. É possível observar que os maiores valores mola ocorreram em dois sensores próximos ao braço, #1 e 3 onde podem ocorrer problemas significativos de saúde. O sensor # 3 está localizado coincidente com o nervo radial e artéria axilar. Se levarmos em conta os resultados acima verificamos que o uso da mola aumenta a pressão nesta região, sensores 1 e 5; de 140% e 45% respectivamente e no sensor 3 a pressão é igual. Anexo I O uso correto das muletas segue os seguintes passos: 1. Posicionar o suporte axilar da muleta de dois a três dedos abaixo das axilas; 2. Com os braços esticados, a dobra do pulso deve estar na altura do apoio manual da muleta axilar. Os cotovelos devem estar levemente flexionados quando a mão segura o apoio manual; 3. Pressionar o apoio axilar da muleta contra a parte lateral do tórax e usar as mãos para absorver o peso. As muletas não devem encostar nas axilas; 4. Apoiar o peso próprio na perna saudável; 5. Posicionar as muletas de forma que o indivíduo caiba entre elas. Para isso, a distância entre as muletas devem ser um pouco maior que a dos ombros; 6. Inclinar-se levemente para frente e colocar as muletas aproximadamente 30cm à frente; 7. Deslocar o peso para as muletas ao invés da perna lesada, como se fosse realizar um passo normal; 8. Permitir que o corpo balance para frente entre as muletas; 9. Terminar o passo normalmente com a perna não lesada; 10. Colocar as muletas para frente em preparação para o próximo passo assim que a perna não lesada estiver apoiada no chão. (10.a) (10.b) (10.c) Figura 10. Posicionamento da muleta. (a) Posicionamento do suporte axilar a 2 ou 3 dedos abaixo das axilas. (b) e (c) Posicionamento do suporte manual na altura do punho. Figura 11. Exemplificação do espaçamento entre muletas Anexo II I- Bibliografia 1. Ted. F. Urban, Oshkosh, Wis, inventor; Crutch Tip Construction. United States Patent US 4630626. 1986 Dec 23. 2. Maurice A, Lawrence E, Nauenberg T. A quantative comparison of four experimental axillary crutches. Journal of Prostheric and Orthotics, Jan 1993; 5:40-48. 3. Seeley MK, Sandberg RP, Chacon JF, Funk MD, Nokes N, Mack GW Metabolic energy expenditure during spring-loaded crutch ambulation. J Sport Rehabil, 20(4):419-427, 2011. 4. Yanxin Zhang, Guangyu Liu, Shengquan Xie & Aurélien Liger (2011). Biomechanical Evaluation of an Innovative Spring-Loaded Axillary Crutch Design, Assistive Technology: The Official Journal of RESNA, 23:4, 225-231, DOI: 10.1080/10400435.2011.614676 5. Goh JCH; TOH, SL; BOSE, K. Biomechanical study on axillary crutches during single-leg swing-through gait. 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