Resumen._ El presente documento contiene la investigación acerca de las prótesis robóticas de extremidades inferiores y superiores; posee la historia, prótesis en la actualidad, un rediseño de una prótesis de mano, por último se cierra con las conclusiones acerca de la biomecánica enfocada a las prótesis, sus beneficios, su accesibilidad.
Palabras Clave._ Prótesis, Biomecánica, Bioingeniería.
I Introducción.
La biomecánica ha sido definida de diferentes maneras, se dice que es las bases mecánicas de la biología, o la aplicación de las leyes mecánicas a las estructuras que tienen vida en especial al aparato locomotor del cuerpo humano.[1]
El significado de la palabra prótesis proviene del griego: pros "por añadidura", lo que nos describe que se añadirá o complementara el miembro faltante, mientras que según el diccionario de la real academia nos dice que es el "procedimiento mediante el cual se repara artificialmente la falta de un órgano o parte de él". [2][3]
Para definir que es una prótesis robótica, nos basamos en los párrafos mencionados anteriormente; la prótesis robótica es un dispositivo o elemento que está dotado de inteligencia y diseñado anatómicamente para cumplir con funciones que le faltan al cuerpo específicamente a partes locomotoras, la funcionalidad de la prótesis es conseguida por inclusión de circuitos electrónicos. [2]
II Historia.
La "prótesis" aparece como una solución y alternativa ante la pérdida de miembros del cuerpo que son indispensables para la vida; se registra que la primera prótesis fue hallada 2000 años a.C en una momia egipcia la prótesis estaba reemplazando el antebrazo de este individuo, después una pierna de madera fue hallada al sur de Italia en Capua y se presume que sea de unos 300 a.C. [4][5]
Con el transcurrir del tiempo el hombre ha desarrollado la capacidad de crear cosas, lo que arroja que elaboren una prótesis de mano hecha de hierro la cual pudiese manejar objetos pesados; en la segunda guerra púnica el general romano Marcus Sergius se fabricó una mano la cual sostenía su espada, y así cada vez la innovación tenia buenos resultados es por lo que para el año de 1400 se crea una mano denominada "alt Ruppin" que fue construida de hierro con el pulgar rígido y dedos flexibles. [4]
Fig 1. Mano "alt Ruppin del año 1400"[2]
Con los esfuerzos anteriores por resolver este problema de perdida de miembros locomotores del cuerpo; no es sino para el siglo XIX que el diseño importante del militar francés Ambroise Pare; este diseño siendo sencillo; pero para esta época era muy bueno, la prótesis de mano que él había construido nos daba la oportunidad de abrir y cerrar los dedos y con una palanca nos permitía mover el brazo; siendo también una innovación la estética de la prótesis, ya que también unas de las mejoras es que se había construido de cuero, esto dio paso a que los nuevos diseños. [4][5]
Fig 2. Mano "Gotz von Berlichingen". [2]
El objetivo del siglo XX era que las personas que hayan sufrido amputaciones o daños de miembros locomotores, regresen y se incorporen de manera normal a sus actividades cotidianas o laborales de todos los días, este objetivo se cumple gracias Dr francés Gripolleau el cual desarrollo accesorios de diferentes terminales como ganchos anillos entre otros más; usados en las prótesis de manos. [4]
Fig 3. Ganchos para prótesis de mano.
III Marco Teórico.
La Bioingeniería es la aplicación de técnicas ingenieriles que se enfocan en ser adaptadas a la biología, se podría decir se aplica más a la "Biomedicina" con el fin de hallar soluciones a diversos problemas que se dan en la actualidad.
III A. Prótesis de Mano.
La mano constituye un órgano terminal de las extremidades superiores, los humanos somos totalmente dependientes de este órgano locomotor, ya que nos ofrece la posibilidad de hacer muchos movimientos, este órgano está constituido por 27 huesos separados en tres grupos, la figura 4 muestra los grupos en los que se dividen los huesos.[6][2].
Fig 4. Grupo de huesos de la mano [6]
Al momento de hacer o diseñar una prótesis aparecen dificultades que por ende crean retos para mejorar y optimizar los diseños, los cuales pueden ser: [6][2]
Tamaño y masa._ El tamaño debe estar de acuerdo al miembro que se perdió, el peso debe concordar para su fácil manipulación.
Velocidad y torque._ El funcionamiento debe ser similar al que sustituye
Baterías._ Garantizar que las baterías duraran por lo menos unas 16Hrs para que no haya problema para el usuario
El progreso de las prótesis ha estado y está ligado al manejo de los materiales que el hombre emplea, también en el desarrollo de la tecnología y por último el entender la biomecánica que tiene el cuerpo humano, es por eso que se podrían clasificar las prótesis en activas y pasivas; esto quiere decir que una prótesis pasiva es la que no posee elementos o dispositivos electrónicos u otros, que su funcionalidad está dada por fuerzas que proporciona el mismo usuario o que por inercia se van dando, en la Figura 5 se muestra una prótesis pasiva; mientras que una prótesis activa tiene dispositivos activos los cuales facilitan o cumplen con alguna funcionalidad dependiendo de qué miembro está reemplazando.
Prótesis no robotizadas._ El gancho que muestra la figura 5, es un gancho que necesita de que el mismo usuario la manipule, ya que no posee ningún dispositivo electrónico que lo haga funcionar, lo que la convierte en una prótesis pasiva.
Fig 5. Gancho "OttoBock" prótesis de mano.[2]
Las prótesis Activas._ Pueden clasificarse según sea el diseño o mecanismo que se usa para su funcionamiento es por lo que a continuación se presentan las categorías a las que pueden pertenecer, la elección del tipo de prótesis, porque es la que va desempeñar el papel principal al nivel de la amputación.[7]
Tipos de prótesis según el sistema actuador.
Mecánico._ De energía corpórea, que son activas por fuerza propia. [8][9]
Eléctricas._ Son de energía ajena, son activas por fuerza externa, pueden ser Mioelectrica la cual recoge pulsos del cuerpo en mili o micro voltios. [8][9]
Hibrida._ Este tipo de prótesis recoge energía o fuerza propia y energía externa, lo cual hace que sea una prótesis de energía mixta. [8][9]
El sistema eléctrico, que consiste de señales Mioelectrica es el que en la actualidad nos proporciona un alto grado de rehabilitación.
Prototipo de pinza Mioelectrica y rotador._ Esta Prótesis es una rediseño y construcción de una pinza Mioelectrica [10], con el objetivo de mejorar la presión palmar y también reducir el peso esto con respecto a diseño "sistema mecánico para prótesis Mioelectrica".[9][10]
Fig 6. Proto tipo para el rediseño [9].
Según [10] los cálculos para estas prótesis son realizados en un software (solidEdge), por lo que los cálculos no son expuestos de una manera formal, se expone en la Figura7 la pinza.
Fig 7. Foto modulo pinza tridigital [10].
III. B Prótesis Extremidades Inferiores.
El diseño de una prótesis de un miembro inferior, implica conocer cuál es la biomecánica de dichas extremidades inferiores que se pretende sustituir es el mismo caso que teníamos anteriormente con la prótesis de mano; con la diferencia que estas prótesis para un miembro inferior del cuerpo implica un poco más de retos, ya que si se pretende diseñar una prótesis de rodilla, pierna o tobillo, estos miembros sostienen todo el peso del cuerpo; en la Figura 8 se ve el componente básico de prótesis por debajo de la rodilla. [11]
Fig 8. Prótesis por debajo de la rodilla [11].
La prótesis posee un bloque que es el del tobillo el cual se conecta con un tornillo a la pierna, este tobillo permite hacer la flexión plantar, posee una goma en la planta que permite un 15o de libertad para la flexión.[11]
Fig 9. Montaje pie tobillo. [11].
El encaje de la prótesis luego de haber colocado el tobillo, transmite las fuerzas de la carga del miembro amputado y esto hace que se transmita estas fuerzas desde el miembro a controlar. [11]
Fig 10. Prótesis por debajo de la rodilla encaje con pierna hueca [11].
IV Prótesis Actuales.
IV. A Prótesis de rodillo con bloqueo.
Este tipo de prótesis que tiene el bloqueo es para cuando se necesite momentos que el usuario necesite estar fijo entonces se usa el bloqueo, y se desbloque para fácil flexibilidad, soporta 100Kg. [2]
Fig 11. Articulación de rodilla con bloqueo [2].
Articulaciones de rodilla con sistema de funcionamiento hidráulico, su optimización está dada para impulso la Figura 12 muestra la prótesis.
Fig 12. Articulaciones de rodilla hidráulica. [2].
La compañía "ossur" fabrica una prótesis que reemplaza al miembro perdido con una fuente activa; esta prótesis nos ofrece un rendimiento sin precedentes y flexibilidad en sus actividades de la vida diaria después de la debida formación y la adaptación a dicha prótesis; esta nos permite subir gradas o levantarse de una silla. [2][12]
Fig 13. Power Knee. [2].
IV Conclusiones.
La bioingeniería abarca un gran campo de la cual se deriva la rama de la biomecánica la cual se dedica desarrollar soluciones a problemas sobre todo de índole físico de los humanos; esta se enfoca en la medicina aplicando técnicas de ingeniería o adaptándolas entendiendo la "biomecánica" del cuerpo humano; la investigación se enfocó en las prótesis, las cuales tratan de reemplazar o reconstruir extremidades amputadas o perdidas por algún motivo; el progreso sobre prótesis de extremidades inferiores y superiores es notorio su desarrollo o evolución ha sido importante ya que ha venido mejorando con el transcurrir del tiempo sobre todo ya que va de la mano con la tecnología, también con materiales que emplean el hombre; con esto se consigue dar más confort a la persona que la necesita, brindándole una mejor calidad de vida.
El acceso a las prótesis resulta costoso por su diseño, construcción e implementación, por lo mismo es que avanza pero no da grandes pasos.
Referencias.
[1]Ramón Gustavo, Introducción a la biomecánica deportiva, pág. 1
[2] Puglisi Lisandro, Moreno Héctor, Prótesis Robóticas, Universidad Politécnica de Madrid
[3]Diccionario de la Real Academia, Vigésima segunda edición ,09/06/2013 < www.rae.es >
[4]Murillo Patricia, Flores Luna Itzel, Juárez Mendoza Ana, Dorador Gonzales Jesús Manuel, Robótica y Prótesis Inteligentes, UNAM, pág.4 y 5.
[5] Trozo Pinzón Yesid, rediseño, construcción y optimización del sistema de control para pie de prótesis transfemoral semiactiva, universidad de la Salle Facultad de ingeniería de diseño y automatización electrónica, Bogotá dc.2007
[6] Fernández Calva, Galindo Coello, E Bolaños Rodríguez, J Castillo Paz. Diseño y Evolución de prototipo Mano Robot por Impulsos Mioelectrica. www.uaeh.edu.mx
[7]Quinayas Burgos Cesar Augusto, Diseño y construcción de una prótesis robótica de ano funcional adaptada a varios agarres, 2010, Tesis de Maestría, Universidad de Cauca Facultad de Electronica y Telecomunicaciones.
[8]Loaiza Jair, Arzola Nelson, Evolución y tendencias en el desarrollo de prótesis de mano, Agosto 16 de 2011
[9]Marcial Lezama Santiago, Prótesis y sus Características.
[10] Sánchez, C. M., Loaiza, J. L. y Cortez, C. J., Diseño y Construcción de un prototipo de pinza y rotador (funciones de pronosupinación) para prótesis Mioelectrica de mano, Ingeniería e Investigación, pp. 5-11, 2006.
[11]Capitulo 7, Prótesis y componentes por debajo de la rodilla, pág. 127
[12]Powet Knee, www.accessprosthetics.comuse.
[13]Larrate Aguilar Eliana, Universidad del Cauca, Modelado Y control de Posición y Fuerza de una prótesis robótica de mano.
[14] Livingston Castro Valladares, Federico Camacho Brausendorff, M.Sc, Diseño y modelado del mecanismo virtual de un prótesis de una rodilla. Revista Tecnológica ESPOL(2002) Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias de la Producción ,Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL).
[15] Ing. García Fabila Vladimir, Ing García Vázquez Marcos, Ing Hernández García Karen,
Diseño de Prótesis Mioelectrica, Instituto Politécnico Nacional Enzime Azcapotzalco 2004.
[16]Moreira Noemí de Jesús, Fabricación de dispositivos Ortesicos de marcha, Ortesis larga tipo kafo y prótesis PTB Exoesqueletal.
[17]Caudillo Rueda Urbano, Generalidades para prótesis inferiores
[18]Vargas Prieto William David, Metodología Diseño y desarrollo para miembro inferior izquierdo controlador por señales Mioelectrica
[19]Escudero Z., Leija L., Álvarez J., Muñoz R., Prótesis para extremidad superior controlada por señales Mioelectrica por músculos remanentes.
[20]Araujo Nathalia Lizeth, Diseño conceptual para una prótesis para amputación transfemoral, Universidad Autónoma de Occidente, Facultad de Ingeniería, Departamento de Automática y electronica.
Autor:
Luis Fernando Siavichay C.
lsiavichay[arroba]est.ups.edu.ec
Ing. Rene Ávila.
Universidad Politécnica Salesina, Sede Cuenca.