Bioingieneria – Prótesis de rodilla

Abstract

Los procesos que conllevan a una rehabilitación de rodilla son indispensables luego de una cirugía o en el tratamiento "fisioterapia" de varias enfermedades traumatológicas como la secuela de Legg- Calvé – Perthes, Cuando la cabeza femoral en la cardera no recibe suficiente sangre, causando la muerte del hueso. Como alternativa de apoyo a rutinas de rehabilitación actualmente se están desarrollando órtesis activas que incorporan sistemas de control. En base a un modelo biomecánico se desarrolla una órtesis activa que permite optimizar los procesos de rehabilitación con un diseño ergonómico y de bajo peso garantizando la resistencia de los materiales empleados en la construcción por medio de un análisis de esfuerzos y deformación de los mismos.

Introducción

Estamos en el umbral de una nueva era en los apéndices de órtesis y prótesis ya no será mecanismos separados y sin vida, sino que serán extensiones íntimas del cuerpo humano, estructural, neurológicamente, y de forma dinámica. Teniendo en cuenta que la era de las piernas de madera está dentro de memoria viva [1]

El uso de una órtesis es muy útil en los procesos de rehabilitación ya que facilita la restauración de las funciones de movilidad débiles o perdidas. Está estructura mecánica se asemeja a la anatomía de las extremidades, puede ser empleada como un elemento pasivo que de soporte a la parte afectada o de forma activa haciendo posible la movilidad a la extremidad para la cual fue diseñada [2, 3].

DESARROLLO DE CONTENIDOS

Osteointegración

En la década de los 60 en Suecia se comenzó a probar implantes de titanio para fijar la dentadura postiza. La técnica se extendió a las extremidades artificiales, especialmente por encima de la prótesis de rodilla. No es de extrañar: ser capaz de fijar una extremidad artificial directamente a una extensión del hueso eliminando la irritación, inflamación y mal ajuste de más prótesis convencionales.

La "inteligente prótesis" del almenan Otto Bock y Ossur Islandia, en la fabricación de controlados por microprocesador rodillas electrónicos incorporados a una pierna ortopédica por encima de la rodilla, o trans-femorales amputados. Los sensores en el tobillo y la espinilla de la prótesis recogen datos que permite a los microprocesadores para calcular el nivel correcto de la resistencia a aplicar ajustando [1].

Especificaciones de sonorización

Para llevar a cabo de manera sincronizada las funciones de bloqueo y actuación en las articulaciones de la órtesis, es necesario obtener información continua de ciertas variables que nos permita discernir entre fases de la marcha y que, a su vez, constituyan el punto de partida para el control de dichas funciones.

Durante la fase de balanceo es necesario diferenciar las etapas de flexión y extensión de la rodilla. Esto se logra mediante encoders, los cuales miden de manera continua los ángulos de rotación en la articulación, con lo que observando donde se encuentra el Angulo de flexión máximo, se puede conocer el instante de transición entre la etapa de flexión (aumento del ángulo desde que se despega el pie del suelo, hasta que llega a su punto máximo alrededor de los 60° en personas sanas) y extensión (disminución del ángulo desde el máximo hasta el momento de contacto talo-suelo)

También se agrega un par de encoders en los tobillos para monitorear el movimiento en esta articulación, ya que estos daros aporta información referente a que punto de la fase de apoyo se encuentra el individuo [4,5]

Fig1. Especificación de las etapas de bloqueo y actuación en el ciclo de marcha: [5]

Diseño biomecánico

El diseño biomecánico del cuerpo humano permite tener una representación de cada una de las extremidades por medio de un diagrama, en el cual se toma como origen de coordenadas o sistemas cartesianos de referencia al torso, puesto que constituye el segmento mas grande del cuerpo, además de su ubicación central que permite determinar la orientación y posición de los demás segmentos del cuerpo con relación a este punto. [6]

Para la ciencia que trata de medir características físicas y funcionales del cuerpo humano; la antropometría ha proporcionando la herramienta útil para la realización de estudios transversales y longitudinales, que permiten valorar parámetros como: velocidad de crecimiento, talla, peso por edad, nivel de nutricio, entre otras. Los datos que se obtienen por medio de la antropometría permiten además realizar estudios para engorar la calidad de vida de las personas discapacitadas que varían de un individuo a otro, sin embargo se han establecido características estándar expresadas en porcentajes de 5,50 y 95 de acuerdo al peso, estatura y sexo de las personas. [7]

Otros dispositivos ortopédicos

Se puede mencionar otro tipo de dispositivos como las órtesis de marcha (RGO órtesis de cadera para caminar y que se sostenga con el pie sin ayuda), que son dispositivos para bloquear las rodillas del usuario y acoplar dos articulaciones a la cadera, en manera que la flexión de cadera produce una extensión de la cadera opuesta. Por este método el usuario es capaz de soportar su peso corporal y realizar un movimiento pendular con las piernas rectas conocido con el método de deambulación, aunque con el apoyo de los bastones o un andador.

Un concepto interesante propuesto por los investigadores en Saitama, Japón, es esencialmente una RGO estándar con un zapato modificado que el espesor de la suela sea controlada activamente con el fin de compensar el movimiento pendular forzado por el bloqueo de las rodillas en una RGO [14].De esta manera es eficazmente subir y bajar con el fin de compensar la falta de DOF en la rodilla. Los resultados experimentales con este dispositivo muestran un aumento significativo en la velocidad de marcha y en disminuir el costo de energía en comparaciones con los resultados de otros estudios en los cuales los RGO tradicionales fueron utilizados [15].

Un RGO se modifico para incluir el accionamiento de la cadera y las rodillas [16]. La órtesis utiliza cilindros de doble efecto neumático para el accionamiento. Otra RGO modificado para obtener un mayor poder en la cadera a través de un motor sin escobillas de corriente continua [17].

Se han realizado investigaciones en combinación de un RGO y (FES electro estimulador portátil) [18], [19]. El dispositivo es un completo órtesis de miembro inferior con la incorporación de frenos controlables en las caderas y rodillas (flexión/extensión) con un método de FES. Mediante la activación de los frenos para endurecer la órtesis de pie el dispositivo solo requiere los músculos del paciente para ser utilizado durante el movimiento esto permite que se realice un ciclo mas corto de trabajo y que se reduzca la fatiga muscular [20], [21].

Diseño mecánico de Órtesis

La estructura mecánica que se asemeja a la anatomía de las extremidades humanas se denomina órtesis que se emplea para restaurar funciones de movilidad débiles o perdidas [8,9]

Figura 2. Clasificación de las órtesis de extremidad inferior

En lo que respecta al miembro inferior las órtesis mas usadas son las tipo AFO limitan la corrección del ángulo entre el pie y la pierna, para evitar una flexión planar excesiva; y la KAFO, que se emplea cuando existe mayor nivel de difusión en la marcha, inclusive la ausencia parcial de control muscular [10].

La órtesis puede ser un elemento pasivo, que se emplee para dar soporte a la zona debilitada o paralizada; o activo formado por un sistema motorizado que le permite dar movimiento a la extremidad. Se pueden implementar varios sistemas para dar movilidad a la órtesis como por ejemplo actuadores eléctricos lineales y rotativos, motores músculos neumáticos artificiales, etc. [11]

Figura 3) Ortesis HKAFO, usada para

rehabilitación motora de miembros inferiores [12]

Análisis de esfuerzos

Aluminio:

Una de las presentaciones del aluminio idóneo para este tipo de aplicaciones es el aluminio laminado, con una resistencia a la tensión de 115-154 MPa y un límite de elasticidad de 197.23 MPa. Sin embargo una desventaja de usar este material es su baja resistencia a la corrosión, comparada con otros materiales como el acero [13]. Por lo que en las zonas mas susceptibles a la corrosión se ha decidido utilizar acero A32.

Titanium:

El titanium es un material muy liviano, resiste a la corrosión y de gran dureza. Aplicando un procedimiento se obtiene una variación de 0.000001mm al comparar la deformación de los dos materiales. Sin embargo, al ser el titanium es un material muy costoso y poco accesible.

Módulo de la rodilla

Las barras laterales de soporte de la pierna continúan hacia la rodilla hasta encajar sobre una articulación de acero similar a las encontradas en órtesis comerciales, pero con algunas modificaciones que permiten fijar mecanismos de actuación y bloqueo de articulación. Al igual que con la parte inferior de la órtesis, el soporte para el muslo consiste en dos barras laterales de aluminio sujetadas por medio de cintas de velcro.

En los diseños se estudian alternativas como para la actuación: motor rotativo y motor lineal. Siendo los mas utilizados los actuadores lineales. Los parámetros necesarios para la selección de un motor rotativo están determinados por el máximo que se necesita aplicar sobre la rodilla y por su velocidad angular; en el caso del actuador lineal, es necesario determinar la fuerza, velocidad, potencia y recorrido del actuador.[3]

Módulo de tobillo

El modulo de tobillo se basa en una órtesis pasiva comercial de tipo AFO, que se ha modificado para adaptarse un decoder en la articulación. La órtesis esta constituida por dos barras de aluminio, una a cada la do de la pierna, que hacen las veces de soporte y estarán ajustadas a la pierna con cintas de velcro. Una articulación de tipo Klenzack a cada lado del tobillo evita la hiperextensión del pie. Un "estribo" metálico al cual va solidaria una plantilla constituye el soporte del pie, el cual se coloca dentro del zapato. [3]

M.I.T. exoesqueleto

Un concepto exoesqueleto causi-pasivo es una segunda fase del programa DARPA EHPA el cual pretende aprovechar la dinámica pasivos de la marcha humana con el fin de crear mas ligeros y eficientes dispositivos exoesqueletos. El exoesqueleto MIT emplea un diseño causi-pasivo que no utiliza actuadores para agregar energía a las articulaciones. En su lugar el diseño se basa completamente en la liberación controlada de energía almacenada en los resortes durante las fases de alimentación (negativo) del modo de andar [31], [34]. Los elementos causi pasivos en el exoesqueleto (resortes y amortiguadores), fueron elegidos sobre la base de un análisis de la cinética y la cinemática de humanos al caminar.

Figura 4. MIT exoesqueleto durante las pruebas metabólicas [22], exoesqueleto HAL-5, enfermera-Asistencia exoesqueleto, y la RoboKnee [23]. Créditos de las imágenes (de izquierda a derecha): Prof. Hugh Herr, Biomecatrónica Laboratory, del MIT Media Lab.

Conclusiones

Al realizar la investigación se debe plantear una estructura la cual permita obtener objetivos claros, hacia cual uno desee llegar para obtener como resultados datos, especificaciones de acuerdo al proyecto.

Los bloqueos que presentan la órtesis es una gran ventaja puesta que por seguridad no permite que la articulación pueda llagar más allá de la extensión completa, previniendo accidentes.

La importancia al momento ya sea de ser construida una de estas prótesis, es una asesoría técnica sobre esta área que se permita realizar un eficiente diseño y especificaciones del dispositivo para que se puedan considerar aceptables por el usuario.

El campo de la Biomedicina ha madurado en las últimas décadas, proporcionando diseños, ciencia necesaria para dispositivos que imitan la dinámica del movimiento del humano.

Como un trabajo a futuro la labor se centraría en las habilidades tales como alimentación, actuadores más ligeros y eficientes por la gran parte de que los exoesqueletos están siendo impulsados por la comunidad de investigación y aplicaciones que llevan a la evolución.

AGRADECIMIENTOS

El autor desea agradecer a las ingenieras Mónica romero, Viviana Cabrera por el interés y conocimientos que me ayudaron a realizar este trabajo y al Ing. Rene Ávila por la iniciativa de esta investigación.

Referencias

[1] ieee spectrum inside technology,"Building a better leg the technology of 21st-century prosthetics"

[2] G. M. F. Andrés, "Diseño y Control de una Ortesis Activa de Tobillo para Personas con Problemas de Pie Caído", p 5 2006.

[3] J. M. Font-Llagunes, G. Arroyo, F. J. Alonso, and B. M. Vinagre, "Diseño de una órtesis activa para ayuda a la marcha de lesionados medulares", in Enviado a) XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica, Ciudad Real, 2010.

[4] J. M. Font-Llagunes, G. Arroyo, F. J. Alonso, and B. M. Vinagre, "Diseño de una órtesis activa para ayuda a la marcha de lesionados medulares", in Enviado a) XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica, Ciudad Real, 2010.

[5] C. Vaughan, B. Davis, J. O"Connor, Dynamics of Human Gait, Kiboho Publishers, (1992).

[6] J. M. Font-Llagunes, G. Arroyo, F. J. Alonso, and B. M. Vinagre, "Diseño de una órtesis active para ayuda a la marcha de lesionados medulares", in Enviado a) XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica, Ciudad Real, 2010.

[7] R.L, "PRINCIPIES OF BIOMECHANICS," Taylor & Francis Group, p. 454, 2009

[8] Diseño y control de una órtesis activa de tobillo para personas con problemas de pie caído

[9] J.M Front-Llagunes, G. Arroyo, F.J. Alonso, and B.M. Vinagre, "Diseño de una órtesis activa para ayuda a la marca de lesionados medulares," in enviado XVIII congreso Nacional de Ingeniera Mecánica ciudad Real 2010

[10] C.D Secretario, "Proceso de fabricación de prótesis modular transtibial izquierda tipo kbm y órtesis tipo kfo para la enfermedad de pethes." PhD. Disertación 2007

[11] V. G. Valdino, "34. Principios básicos de rehabilitaciones y órtesis." Hospital Arquitecto Marcide-Profesor Novoa Santos, España, 2010

[12] J.C.C Ardila, "Exoesqueleto para articulación de rodilla.", "Programa de maestría en Ingeniera, p 40, 2002"

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[15] N. Kawashima, Y. Sone, K. Nakazawa, M. Akai, and H. Yano, "Energy expenditure duringwalkingwith weight-bearing control (WBC) orthosis in thoracic level of paraplegic patients," Spinal Cord, vol. 41, pp. 506-510, 2003.

[16] G. Belforte, L. Gastaldi, and M. Sorli, "Pneumatic active gait orthosis," Mechatronics, vol. 11, pp. 301-323, 2001.

[17] C. G. Downes, S. L. Hill, and J. O. Gray, "Distributed control of an electrically powered hip orthosis," in Proc. 1994 Int. Conf. Control, pp. 24-30.

[18] M. Solomonow, E. Aguilar, E. Reisin, R. V. Baratta, R. Best, T. Coetzee T, and R. D"Ambrosia, "Reciprocating gait orthosis powered with electrical muscle stimulation (RGO II). Part I: Performance evaluation of 70 paraplegic patients," Orthopedics, vol. 20, pp. 411-418, 1997.

[19] C. A. Phillips, "Electrical muscle stimulation in combination with a reciprocating gait orthosis for ambulation by paraplegics," J. Biomed. Eng., vol. 11, pp. 338-344.

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[21] M. Goldfarb and W. K. Durfee, "Design of a controlled brake orthosis for FES-aided gait," IEEE Trans. Rehabil. Eng., vol. 4, no. 1, pp. 13-24, Mar. 1996.

[22] C. J. Walsh, K. Endo, and H. Herr, "Quasi-passive leg exoskeleton for load-carrying augmentation," Int. J. Hum. Robot. vol. 4, no. 3, pp. 487-506.

[23] J. E. Pratt, B. T. Krupp, C. J. Morse, and S. H. Collins, "The RoboKnee:An exoskeleton for enhancing strength and endurance during walking,"in Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom., New Orleans, LA, 2004, pp. 2430-2435.

Autor:

Marcelo Merchán Serrano

Ingeniera Eléctrica, Universidad Politécnica Salesiana

Cuenca, Ecuador