Ortesis "Solucion para partes inmoviles del cuerpo"

Abstract

En esencia es un dispositivo que ayuda a la movilidad de las partes externas del cuerpo en los cuales conllevan a una rehabilitación que son indispensables luego de una cirugía o en el tratamiento "fisioterapia" de varias enfermedades traumatológicas. Como alternativa de apoyo a rutinas de rehabilitación actualmente se están desarrollando órtesis activas que incorporan sistemas de control teniendo en cuenta la calidad y el tipo de material a usarse ya sea en personas mayores o en niños. En base a un modelo biomecánico se extienden órtesis que permitan optimizar los procesos de recuperación dependiendo de las estructuras relacionadas a diferentes partes del cuerpo garantizando la resistencia de los materiales empleados en la construcción por medio de un estudio de esfuerzos y deformación de los mismos.

Índex Terms— Bioingeniería, Órtesis, Rehabilitación, kafo, encoders.

Introducción

La marcha humana es un movimiento complejo por la actividad de numerosos grupos musculares que controlan su estabilidad y a la vez que minimizan el coste metabólico del transporte. [4]

El uso de una órtesis en general utilizan patrones predefinidos de movimientos y momentos en las articulaciones, con control clásicas o basadas en la actividad eléctrica muscular en un intento por integrar el sistema musculo-esquelético humano y órtesis.[3] 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 es diseñada [1,2].

DESARROLLO DE CONTENIDOS

Órtesis

La estructura mecánica que se asemeja a la anatomía de las extremidades humanas se denomina órtesis y se emplea para restaurar funciones de movilidades débiles o perdidas. [12], [13]

En la tabla 1.1 se detalla la clasificación general de las órtesis de acuerdo a la articulación para la cual fueron diseñadas

Tabla 1.1Clasificacion de las órtesis de nivel inferior. [14].

En lo que respecta al miembro inferior las órtesis mas usadas son las tipo AFO que 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 disfunción en la marcha, inclusive la ausencia de control muscular. [14]

El kafo es una órtesis de extremidad inferior que alinea y estabiliza, controla deformidades y facilita la marcha. Pude ser unilateral o bilateral, esta formado por dos barras generalmente de duraluminio que descienden a lo largo de la pierna. La barra del lado interno baja desde 2 cm por debajo del periné, mientras que el lado externo desciende desde aproximadamente el nivel del cuello del fémur, las cuales se unen a su vez con el segmento plástico de pierna terminando ligeramente por arriba de la desarticulación del pie. [14]

El diseño del segmento de muslo así como el de pierna dependerán de los objetivos del tratamiento. [14]

Principios de la biomecánica

La rodilla transmite cargas, ayuda en la conservación del momento y proporciona un par de fuerzas para las actividades en las que interviene la pierna. La rodilla humana es la articulación mas amplia y quizá la mas compleja del cuerpo siendo mas susceptible a lesiones. [5].

La rodilla particularmente esta bien preparada para demostrar los análisis biomecánicos de las articulaciones, porque estos análisis pueden ser simplificados en la rodilla y seguir proporcionando una información útil pese a que el movimiento ocurre simultáneamente en tres planos sin embargo muchos músculos de la rodilla predominan en un momento particular generando una fuerza tan grande que sirve para representar la mayoría de la fuerza muscular que actúa sobre la rodilla .Por ello, los análisis biomecánicos pueden limitarse al movimiento en un solo plano [5].

Estabilidad de la articulación de la rodilla

La clave para una articulación de la rodilla sana es su estabilidad. La configuración ósea, los meniscos, los ligamentos, la capsula y los músculos que rodean a la rodilla proporcionan su estabilidad articular. [5]

Figura 1. Diagrama de cuerpo libre de la articulación de la rodilla. [5]

En la figura se representa las tres principales fuerzas coplanares que actúa sobre la pierna: La fuerza de reacción del suelo (w), la fuerza del tendón rotuliano (P), y la fuerza de reacción articular (I). Si esta estructura funcionara de manera incorrecta o estuviese alterada, se producirá la inestabilidad articular de la rodilla. Los ligamentos son los estabilizadores principales para la traslación anterior y posterior. [5]

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 [6,7]

Tipo de material de órtesis

Durante muchos años, en las órtesis de extremidad inferior, se usaron casi exclusivamente componentes metálicos prefabricados. En la última década se ha visto un marcado aumento de uso de plásticos. [14]

Las órtesis normalmente están construidas a la medida y elaboradas a base de materiales resistentes como acero, aluminio y titanium, En caso para una órtesis de niño son elaboradas mediante polipropileno y se necesitan temperaturas muy elevadas para moldear el material y son seleccionadas según para su aplicación. [8]. Si se desea construir una órtesis se debe plantear características primordiales como la resistencia y el peso del material. Es por ello que se consideran dos posibles materiales para su construcción aluminio y titanium, el acero es descartado pese a su gran resistencia, debido a su alta densidad comparada con los otros materiales.

Introducción mecánica de una órtesis

• a) ESPECIFICACIONES BIOMEDICAS

Se han realizado numerosos estudios para caracterizar el movimiento que tiene lugar en las articulaciones de la pierna durante la marcha, muchos de ellos acompañados de análisis de dinámica inversa para determinar las fuerzas y momentos involucrados en el movimiento [9]. La mayoría de estos estudios concuerdan en que durante la marcha, la variación angular en la articulación del tobillo, va desde un ángulo de flexión dorsal máximo aproximado de 12° durante la fase de apoyo, hasta 9° de flexión plantar al inicio de la fase de balanceo. El momento en la articulación es máximo durante la fase de apoyo, en la que el pie impulsa el cuerpo con un movimiento de flexión plantar para iniciar el próximo paso [10]. Por lo tanto, es necesario un mecanismo que por una parte limita la flexión dorsal del pie generada al final de la fase de apoyo, y por otra parte, que límite el ángulo de flexión plantar para evitar que la punta del pie sea arrastrada durante la fase de balanceo.

En cuanto a la articulación de la rodilla, la variación angular es mucho mayor. Desde una posición de extensión completa en el instante de contacto inicial con el suelo, la rodilla se flexiona aproximadamente 18° al momento de recibir la carga. [10]

Fig2. Especificación de las etapas de bloqueo y actuación en el ciclo de marcha. [11]

• b) MODULO DE LA RODILLA

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. [2]

• c) DISENO DE UNA ORTESIS ACTIVA PARA AYUDAR A LA MARCHA DE LESIONADOS MEDULARES

La órtesis activa de la rodilla y tobillo (KAFO) con control de apoyo que se observa en la figura esta diseñada para asistir en la marcha a personas que presentan lesiones medulares, quienes poseen un limitado control sobre sus extremidades inferiores, produciéndose anomalías en la marcha con un coste metabólico elevado. La implementación de esta órtesis busca disminuir este coste y ayudar a mantener una marcha normal y eficiente, asistiendo en la flexión y extensión de la pierna durante la fase de balanceo y bloquear la rodilla en la fase de apoyo; además posee un dispositivo "antiequino" que impide la hiperextensión del pie en la fase de apoyo. [13]

Figura 3. Diseño de una órtesis activa

Conclusiones

En el campo de la biomedicinas ah proporcionado durante estos años de evolución; diseños, resultados y avances necesarios con el objetivo de imitar el movimiento dinámico del humano.

Al realizar la investigación los bloqueos que presentan las órtesis son de gran utilidad por su seguridad al no permitirse que la articulación no llegue mas allá de su extensión completa.

En la actualidad se realizan pruebas mas avanzados con la afinidad de conseguir que las órtesis tengan movimientos más exactos o parecidos, los cuales son generados por el cuerpo humano

Para el diseño de la órtesis se esta realizando una mejor elaboración al utilizar elementos mas factibles y de menor peso para la recuperación de los pacientes.

Para un trabajo a futuro se podría centrar en habilidades como actuadores más ligeros e eficientes que se están impulsando por comunidades de investigación y a campos referentes acerca de las órtesis.

AGRADECIMIENTOS

El autor desea agradecer a la Lcda. Carolina Zúñiga por las pautas a seguir en la elaboración de este paper y al Ing. Rene Ávila por la iniciativa de esta investigación.

Referencias

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

[2] 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.

[3] J.L. Pons, Wearable Robots, Wiley, (2008).

[4] T. Yakimovich, E. D. Lemaire, J. Kofman. Engineering desing review of stance-control knee-ankle-foot orthoses, Journal of Rehabilitation Research & Development, 46, 2 (2009), 257-267

[5] M.N.P.D.S. y Víctor H Frankel MD PhD KNO, "Biomecánica Básica del Sistema Musculo esquelético," Mc Graw-Hill-Interamericana, Vol. 3, 2003

[6] 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.

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[9] M. Whittle, Gait Analysis, Elsevier, (2007).

[10] Z. Matjacic, A. Olenšek, T. Bajd, Biomechanical characterization and clinical implications of artificially induced toe-walking: Differences between pure soleus, pure gastrocnemius and combination of soleus and gastrocnemius contractures, Journal of Biomechanics, 39, (2006), 255-266.

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

[12] G.M.F. Andrés; "Diseño y Control de una órtesis active de tobillo para personas con problemas de Pie Caído;" 2006

[13] J.M. Front-Llagunes, G. Arroyo, F.J. Alonso, and B.N. Vinagre, "Diseño de una órtesis active para la ayuda a la marcha de lesiones medulares", XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica, Ciudad Real, 2010

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[20] F. J. Morales Ft. A. de los Ríos Giraldo Dr., "Rehabilitación en Lesiones del Ligamento Cruzado Posterior", Universidad del Valle, vol. 20, no. 1, p. 5, 2006

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[22] J. A. Blaya and H. Herr, "Adaptive control of a variable-impedance ankle–foot orthosis to assist drop-foot gait," IEEE Trans. Neural Syst.Rehabil. Eng., vol. 12, no. 1, pp. 24–31, Mar. 2004.

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

Autor:

Marcelo Merchán Serrano

Ingeniera Eléctrica, Universidad Politécnica Salesiana

Cuenca, Ecuador

Nació en Cuenca, Ecuador. Estudios Primarios: Escuela Federico Proaño, estudios Secundarios: Colegio Daniel Córdova Toral, estudios Superiores: Universidad Politécnica Salesiana. Es miembro de la sociedad del IEEE Advancing Technology for Humanity, sección WIE.