Bioingeniería – Prótesis biónicas para manos

Resumen

El diseño y la implementación de prótesis biomecánicas, permiten que las personas que tienen alguna discapacidad física causada por algún accidente o alguna deformidad genética, puedan llevar una vida casi normal gracias a estos elementos, donde están presentes varios campos como la electrónica, la medicina, biomecánica, etc. Las prótesis han sido mejoradas a pasos agigantados y constantes, de acuerdo al avance tecnológico, motivo por el cual la bioingeniería está creciendo cada vez más y logrando un mayor desarrollo tanto en el campo médico-tecnológico como en el área de la investigación. El gran desarrollo en las prótesis biónicas se debe gracias a la aplicación de nuevos materiales y técnicas para la creación y manejo de las mismas, así como a los avances en las técnicas de implantación por lo que cada día es más amplia la gama de posibilidades en sustituciones de órganos conocidos, así como también el acoplamiento o sustitución de extremidades humanas.

Introducción

La Bioingeniería ha sido definida como útil y majestuosa debido a su amplia complejidad, ya que exige imaginación, se extiende ilimitadamente en todas sus áreas y hasta puede involucrarse en un ámbito religioso, cuando se consideran problemas éticos humanos, como puede ser el caso de órganos artificiales en ingeniería genética. [17]

Una prótesis es un elemento desarrollado con el fin de mejorar o reemplazar una parte o un miembro completo del cuerpo humano afectado.

La primera prótesis registrada data del año 2000 a. C., fue encontrada en una momia egipcia, dicha prótesis es como[19] El diccionario de la Real Academia Española adopta como definición de prótesis: El procedimiento mediante el cual se repara artificialmente la falta de un órgano, o parte de él; o como el aparato o dispositivo destinado a esta reparación. [7] Una prótesis para cualquier ser humano discapacitado y precisamente en las personas que tienen miembros amputados, ayuda para el desarrollo psicológico y emocional de la persona ya que permite crear la percepción de totalidad libertad al recobrar movilidad y aspecto, cuando una persona pierde una extremidad crea involuntariamente una reacción que se llama memoria de percepción, esto significa que la persona a pesar de haber perdido una extremidad hace mucho tiempo incluso años se hace la idea de que todavía la tiene y provoca impulsos involuntarios en el espacio donde se amputo un miembro, esto provoca que las personas se afecten emocionalmente y se limite o se cohíba a realizar acciones que todavía pueden realizarlas a pesar de su discapacidad.

Los seres humanos tienen la capacidad de aceptación y sobre todo de adaptación a una gran variedad de percepciones, de estímulos y de reacción y respuesta, esto es gracias a los cinco sentidos que hemos desarrollado, gracias a estas características humanas podemos crear prótesis artificiales que van a poder remplazar miembros como si fueran nuevos, con las mismas funcionalidades y características de una persona no discapacitada.[14]

La sustitución de miembros humanos por prótesis biomecánicas imita la función original de una extremidad humana o incluso en la actualidad la superan, potenciándola con materiales más sofisticados y tecnología de punta.

La integración de varias ramas como la medicina, la electrónica, etc., enfocada a la inteligencia artificial y la mecánica en sus variaciones tanto del diseño como de ergonomía, se integran para poder sistematizar y a la pos crear un instrumento biomecánico que sea útil y cumpla todos los requerimientos cuando la utilice una persona. Mientras la tecnología que desarrolla implantes biónicos está aún en desarrollo, en la actualidad podemos destacar la creación de cuerpos artificiales.

Inicios en el diseño y uso de prótesis

No es sino hasta el siglo XVI, cuando el médico militar francés Ambroise Paré desarrolló el primer brazo artificial móvil al nivel de codo, llamado "Le petit Loraine" el mecanismo era relativamente sencillo tomando en cuenta la época, los dedos podían abrirse o cerrarse presionando o traccionando, además de que constaba de una palanca, por medio de la cual, el brazo podía realizar la flexión o extensión a nivel de codo. Figura1.

Figura 1 Primeras prótesis ortopédicas de Ambroise Paré [17]

Posteriormente se vio la necesidad de mejorar y crear prótesis ya mucho más complejas, como en este caso el de una mano que pueda realizar el cierre y la apertura de los dedos pero que sea controlada por los movimientos del tronco y hombro contra lateral. Más tarde el Conde Beafort da a conocer un brazo con flexión del codo activado al presionar una palanca contra el tórax, aprovechando también el hombro contra lateral como fuente de energía para los movimientos activos del codo y la mano, la mano constaba de un pulgar móvil utilizando un gancho dividido.[1]

En el siglo XX, el médico francés Gripoulleau, no solo pensó en crear una prótesis para alguna persona discapacitada solo para completar sus extremidades sino realizo prototipos para que las personas puedan insertarse en un campo laboral y sigan con sus actividades normales.

Diseño de prótesis en el siglo XXI

El origen de las prótesis activadas por los músculos del muñón se da en Alemania gracias a Ferdinand Sauerbruch, el cual logra crear un mecanismo que permita flexionar las manos y asemejar un poco más a la mano real, mediante varillas de marfil que hacía pasar a través de túneles cutáneos, haciendo posible que la prótesis se moviera de forma activa debido a la contracción muscular. Es hasta 1946 cuando se crean sistemas de propulsión asistida, dando origen a las prótesis neumáticas y eléctricas. Un sistema de propulsión asistida es aquel en el que el movimiento es activado por algún agente externo al cuerpo. Las prótesis con mando mioeléctrico[1]comienzan a surgir en el año de 1960 en Rusia. Esta opción protésica funciona con pequeños potenciales extraídos durante la contracción de las masas musculares del muñón, siendo estos conducidos y amplificados para obtener el movimiento de la misma. En sus inicios, este tipo de prótesis solo era colocada para amputados de antebrazo, logrando una fuerza prensora de dos kilos. [1]

Actualmente la mayoría de funciones de las prótesis de mano están limitadas al cierre y apertura de la pinza, la diferencia entre éstas radican en el tipo de control que emplean, pero todas realizan básicamente las mismas actividades. Los países con mayor avance tecnológico e investigación sobre prótesis son Alemania, Estados Unidos, Francia, Inglaterra.[1] Una mano biónica totalmente funcional (Figura2), controlada con la mente y músculos del paciente al cual se le ha sido implantada, ha sido puesta en el mercado y ha contado con una muy buena aceptación debido a su alta eficiencia al momento de interactuar con el paciente. Este nuevo diseño conocido como I-Limb, fue inventado por el investigador escocés David Gow pero diseñado y fabricado por la empresa Touch Bionics. La mano funciona con un sistema de control intuitivo que recoge las señales eléctricas que generan los músculos del miembro residual del paciente. Estas señales, llamadas mioeléctricas, son recogidas por electrodos que se colocan en la superficie de la piel y posteriormente son procesadas para que la mano se mueva.[5]

Figura 2 Prótesis biónica I-Limb[15]

El I-Limb ha ganado varios concursos, entre ellos el premio más importante que se otorga a la ingeniería en el Reino Unido, el premio MacRobert[2]El modelo de la I-Limb ha sido un diseño totalmente revolucionario y ha abierto la puerta a una nueva generación de aparatos de prótesis cuyo avance más importante es la tecnología de dedos multiarticulados.[4]

Sistemas de prótesis

Figura 3 Prótesis Actual [15]

El desarrollo de una prótesis comienza primero en enfocarse en las acciones y características de la prótesis que va a remplazar a algún miembro amputado en este caso se enfoca a la creación de prótesis para manos, la mano realiza principalmente dos funciones: la prensión y el tacto, las cuales permiten al hombre convertir ideas en formas, la mano otorga además expresión a las palabras además de que el sentido del tacto permite que se desarrolle totalmente la capacidad de la mano como las actividades que se mencionó anteriormente. Es importante mencionar que el dedo pulgar representa el miembro más importante de la mano, sin éste la capacidad de la mano se reduce hasta en un 40 por ciento. [17]

Los principales tipos de prensión de la mano son de suma importancia, ya que la prótesis deberá ser diseñada para cumplir todo estos requerimientos. Toda prótesis artificial necesita un sistema de energía que permita tomar una fuerza y de esta manera realizar alguna acción, para ello se debe tomar en cuenta el nivel de amputación del órgano ya que de acuerdo a esto se presentan las características necesarias en una prótesis artificial para que de esta manera se logre un acoplamiento satisfactorio.[13]

• Prótesis Mioeléctricas

Las prótesis mioeléctricas son prótesis que funcionan a base de electricidad, estas prótesis son hoy en día el tipo de miembro artificial más versátil y más utilizado, además de presentar un nivel muy confiable al momento de manipularlas y ponerlas en práctica, estas prótesis presentan un control mioeléctrico que se basa en el concepto de que siempre que un músculo en el cuerpo se contrae o se flexiona, se produce una pequeña señal eléctrica (EMG) que es creada por la interacción química en el cuerpo, dicha señal eléctrica es muy pequeña y oscila en rangos de valores de 5 a 20 uV. Debido a estos niveles casi imperceptibles de señales eléctricas que presentan los músculos humanos se han diseñado sistemas de sensores llamados electrodos que entran en contacto con la superficie de la piel y permiten registrar la señal EMG. Una vez registrada, esta señal se amplifica para posteriormente ser procesada mediante sistemas inteligentes que permitan accionar a los motores que se encuentran en la prótesis y permitan el movimiento del mismo de acuerdo a los movimientos involuntarios que producen los músculos de la persona. [2]

Figura 4 Configuración básica de una prótesis mioeléctrica [12]

Cuando sea necesario colocar una prótesis de este estilo, el primer paso que debemos realizar consiste en someterse a una prueba mioeléctrica. Esta prueba consiste en colocar electrodos en la extremidad residual o muñón. Un probador de electricidad importantes cuando usted contraiga sus músculos: La fuerza de la señal EMG (cuánta señal eléctrica puede registrarse) y si la persona sometida a prueba tiene capacidad para separar las contracciones. Separar las contracciones significa que cuando un músculo se contrae o se flexiona, otro músculo opuesto se mantiene relajado [8].

Existen las también llamadas Prótesis Híbridas. Una prótesis híbrida combina la acción del cuerpo con el accionamiento por electricidad en una sola prótesis. En su gran mayoría, las prótesis híbridas sirven para individuos que tienen amputaciones o deficiencias transhumerales (arriba del codo) Las prótesis híbridas utilizan con frecuencia un codo accionado por el cuerpo y un dispositivo terminal controlado en forma mioeléctrica.[9]

• Tratamiento de la señal mioeléctrica

La señal mioeléctrica sensada en la superficie de la piel se amplifica, ya que su amplitud varía desde las centenas de micro voltios hasta las unidades de mili voltios y no es suficiente para su utilización directa como señal de control. Además de ser una señal de baja amplitud, se suma la componente de ruidos propios del cuerpo y ajenos a él, por lo que ha sido necesario filtrarla para discriminarla de otras señales no deseadas.[6]

• Electrodos: Para poder obtener la señal se utilizan electrodos de electrografía, estos permiten su colocación a una distancia pequeña entre sí. Este tipo de electrodos son capaces de transmitir señales muy pequeñas y mantenerlas hasta poder ser captadas por la etapa preamplificadora que se mencionará a continuación [16][12].

• Etapa de Pre-amplificación: Para esta etapa de pre-amplificación es necesario utilizar componentes eléctricos capaces de mejorar una señal para después pasarla a una etapa de amplificación total, para esto se ocupa generalmente amplificadores operacionales de instrumentación capaces de amplificar pequeñas señales y adecuarlas de cierta manera para poder manipularlas correctamente.[11]

• Etapa de amplificación: En esta etapa se procede a realizar la amplificación completa de la señal obtenida de la etapa preamplificadora, aquí se procede a obtener una ganancia adecuada de la señal y logrando alcanzar los valores de amplitud necesarios para poder procesarla en la siguiente etapa.[11]

• Procesamiento de la señal: El procesamiento de la señal analógica se lo realiza por medio interfaces micro-controladas que permiten manipular las señales analógicas en señales digitales que serán utilizadas para los actuadores y diferentes mecanismos que tendrá la prótesis, esta etapa es una de las más importantes ya que aquí se calibran y manipulan todas las señales para poder tener una respuesta en la prótesis satisfactoria y que beneficie a la persona discapacitada. Diversos sensores táctiles ubicados en sitios estratégicos de la prótesis de la mano son capaces de captar señales que periten retroalimentar todo el sistema y de esta manera mantener un sistema controlado y eficaz, muchos de estos sensores son calibrados previamente realizando una relación con los datos obtenidos de las señales de los electrodos ya que esto permite regular la fuerza de la prótesis en sus diferentes acciones como son la de manipular y la acción de compresión de la mano [11], [8], [19].

• Etapa de acoplamiento y entrenamiento: En esta etapa se pone a prueba todo el sistema de la prótesis, mediante un software que nos permite visualizar el funcionamiento completo de la prótesis y así detectar aspectos como fallas o errores en la calibración de la misma, esta etapa también es de suma importancia ya que permite poner a punto a la prótesis [13]. La interfaz gráfica del software permite obtener una imagen tridimensional del movimiento de la prótesis y sus diferentes acciones como la manipulación de objetos y la compresión de los dedos, existen diversos modelos matemáticos que nos permiten comparar los niveles de amplitud y rotación de la prótesis, se debe establecer un patrón de movimientos tridimensionales capaces de mantener una similitud esencial con una mano completamente real [15]. Actualmente existen muchos dispositivos que permiten una maniobrabilidad más eficiente como es el caso de los alambres musculares, que son más livianos y más ergonómicos [3].

Actualmente un grupo de científicos han logrado restablecer el sentido del tacto en dos pacientes con brazos artificiales, en lo que es visto como gran un paso hacia la posibilidad de crear extremidades sensibles. El procedimiento consistió en reconducir hacia el pecho los nervios que quedaron de las extremidades [18].

De esa forma, si se aplicaba presión sobre sus pechos, los dos pacientes podían sentir los brazos y manos que perdieron.

En algunas pruebas, los pacientes podían identificar incluso el lugar de la mano que era tocado. Los electrodos que se instalaron en el arnés del hombro de cada paciente permitieron detectar los mensajes emitidos desde el cerebro hasta el músculo del pecho y los condujeron hasta el brazo. El paso siguiente abre la puerta al sentido del tacto, cuya carencia es la principal limitación de las extremidades artificiales.

Figura 6 Transformada rápida de Fourier (FFT) de la señal mioeléctrica preamplificada del pectoral [13]

Figura 5Procesamiento de las señales mioeléctricas [13]

Conclusiones

Este artículo ha presentado una breve descripción de un proceso de diseño y creación de una prótesis para manos comenzando desde la adquisición de señales hasta el proceso de entrenamiento y manipulación de la misma, el objetivo de esto es lograr que una persona discapacitada pueda llevar una mejor vida ya que gracias a estos estudios y con la tecnología que avanza a pasos agigantados se logre crear procesos o sistemas más eficaces que logren igualar e incluso mejorar próstesis que potenciar el funcionamiento de una prótasis, además de esto es importante realizar un diseño ergonómico ya que así el individuo logre insertarse en el campo laboral y no proceda a marginarse de la sociedad por el motivo que esto amerita, pero los más importante es que la persona recupere su confianza y ponga a prueba su inteligencia emocional ya que eso es lo más importante para que una persona viva acorde y en armonía con una sociedad.

En la actualidad existen prótesis que permiten potenciar alguna extremidad amputada esto quiere decir que se le dan características más sofisticadas que una mano real como son la de movilidad y sobre todo de fuerza extra, esto ya se está observando en algunos países como Alemania, existen personas que pueden llamarse superhumanos ya que poseen prótesis superpotenciadas. En el futuro ya no existan las prótesis que reemplacen a algún miembro o extremidad sino se daran paso a las superprótesis que son capaces de realizar actividades que están fuera del alcance de nuestra imaginación.

Actualmente la prótesis I-Limb es la más utilizada en el mercado y su costo ciertamente es muy elevado, siendo de aproximadamente US$18.000 dólares para las clínicas priva-das, pero se espera que en algunos años esté disponible en algunos sistemas nacionales de salud. Estas prótasis son usadas en su mayoría por ex-militares que perdieron el miembro en la guerra de Irak.

Referencias

• [1] A.C. Aldana. Obtención y análisis de señales bioeléctricas. Universidad Pedagógica Nacional, 2006.

• [2] R. Bibliográfica. Prótesis Mioeléctricas. Labor… académico Labor… académico, page 38.

• [3] L. W. Braud, M. N. Lupin, and W. G. Braud. The use of electromyo-graphic biofeedback in the control of hyperactivity. Journal of Learning Disabilities, 8(7):420 – 425, 1975.

• [4] BBC Ciencia. Mano biónica se lleva premio. BBC Mundo.

• [5] BBC Mundo Ciencia. La mano biónica más sofisticada. BBC Mundo.

• [6] H. Rodriguez J. L. Pons D. Mesonero-Romanos, R. Ceres. Arquitectura electrónica para el control de una prótesis de mano. Instituto de Automática Industrial (CSIC), España, 2002.

• [7] R. A. Española. Diccionario de la real academia española. Libr. de Parmantier, 1826.

• [8] Simon Ferguson and G Reg Dunlop. Grasp Recognition From Myoe-lectric Signals. Austalasian Conference on Robotics and Automation, Auckland,27,29 November 2002, 2002.

• [9] Castillo Dorador Flores, Juarez. Actualidad y tendencias en el diseño de prótesis de miembro superior. Memorias del X Congreso Anual de la Sociedad Mexicana de Ingeniería Mecánica, Querétaro, México, 2004.

• [10]  M. García, J. Aída, O. María, and P. Miguel. Potenciales Bioeléctricos: Origen y registro. Universidad Autónoma Metropolitana. México. Unidad Iztapalapa, page 195, 1998.

• [11]  John Fredy Franco Gustavo A Betancourt O, Eduardo Giraldo Suárez. Reconocimiento de patrones de movimiento a partir de señales electro-miográficas. Scientia et Technica, UTP., (26), 2010.

• [12]  Fernando Mateo Jiménez. Redes neuronales y procesado de variables para modelos y sensores en bioingeniería. Universidad Politécnica de valencia. Dpto. de Ingeniería electrónica.

• [13]  R. De la Rosa Steinz and L. Liptak. Entrenador mioeléctrico de prótesis para amputados de brazo y mano. Mapfre Medicina, 13(1):11 – 19, 2002.

• [14]  R. Merletti and P. Parker. Physiology, engineering, and noninvasive applications. Electromyography, 2005.

• [15]  Inc. All rights reserved Myoelectronics. by Advanced Arm Dynamics. Opciones Protésicas. Advanced Arm Dynamics, Inc., 2002.

• [16]  A. Pedroza-Meléndez. La microelectrónica en la medicina y la cirugía. Cirugía y Cirujanos, 65(6):174 – 177, 1997.

• [17]  BBC Mundo Science. El futuro: Prótesis con sentido del tacto. Science.

• [18]  Lisandro Puglisi y Héctor Moreno. Prótesis Robóticas. Universidad Politécnica de Madrid. Dpto. de Automática, Ingeniería electrónica e Informática industrial.

• [19] J. M. Poblet. Introducción a la Bioingeniería. Marcombo, 1988.

Autor:

Francisco Javier Ortiz Ortiz

actualmente cursando el tercer año de estudios en la carrera de Ingeniería Electrónica en la Universidad Politécnica Salesiana, sede Cuenca-Ecuador.

[1] Adj. [Prótesis] que sustituye a un músculo y tiene un funcionamiento eléctrico.

[2] Premio concedido desde 1969 por la Real Academia de Ingeniería. El premio reconoce las ideas con mayor innovación en el campo de la ingeniería.