- Introducción
- Rodillas
Policéntricas - Comparación entre los mecanismos de un
solo eje con los policéntricos - Opciones de Estabilidad
- Opciones de Control de
Movimiento - Diseño de la
prótesis - Diseño del encaje
- Diseño del pie
- Diseño del mecanismo
telescópico - Carrera máxima y mínima del
pistón - Simulación del movimiento de la
prótesis - Conclusiones
- Bibliografía
Introducción
Para el diseño de una prótesis hay que
tomar en cuenta muchos criterios para lograr un diseño
competitivo capaz de cumplir con los requisitos del usuario y
además tener un costo bajo. También hay que tener
un elevado conocimiento y criterio en la utilización de
los diferentes dispositivos que las componen, así como de
los principios básicos de la teoría de Mecanismos y
Máquinas. Los mecanismos principales de movimiento de las
prótesis de rodilla pueden ser de bisagra o
policentrícos
En el mercado existen numerosos tipos de prótesis
de rodilla con mecanismo policéntrico, siendo las
más utilizadas las de Otto Bock®, con múltiples
variantes, las de Endolite®, los modelos de Proteor®5 ,
la rodilla de Neolite y muchas más (ver figura 1). Estas
prótesis son de alto costo y poco accesibles para los
venezolanos con escasos recursos, debido a ello muchos centros de
rehabilitación en América Latina usan con mayor
frecuencia los mecanismos de tipo bisagra, los cuales se
encuentran en desventaja frente a los policéntricos. Sin
necesariamente presentar un mecanismo policéntrico, la
principal referencia a citar en cuanto a prótesis externas
de rodilla es la C-Leg de Otto Bock®, debido a sus mecanismos
de control hidráulico en base a microprocesador cuyas
principales características son poseer una velocidad
máxima de 5 km/h y más de 5 km al día, peso
de la articulación de 1.210 kg, ángulo de
flexión de 125°, independencia en baterías de
litio de 45 horas.
La última generación de la C-Leg,
añade: Mejora el control de la fase de impulsión.
Los usuarios experimentan más fácil
iniciación en el swing, con un suave, el movimiento
más natural. Mayor peso límite: 300 lbs.1
beneficiando a los usuarios aún más, incluyendo a
aquellos que pesan más, o que suelen llevar o levantar
cargas pesadas. Genium ™ y C-Leg están clasificados
para los límites de peso más alto en la
categoría. Mejora de la recuperación de tropiezo.
Aumento de la resistencia en el caso de un viaje o un tropiezo.
Un tercer modo. Otra opción, personalizado para el
usuario. El modo de seguridad ajustable. La configuración
por defecto puede ser ajustada y personalizada a las preferencias
del usuario. Mejora de la protección. Nuevas tapas de
silicona que cubren la carga y la toma de ajuste que se adjunta a
la rodilla, asegurar las tapas y mejorar la protección de
materias extrañas y humedad.
La rodilla TKO 1500 de Ossur está diseñada
para superar el principal inconveniente de las rodillas con
bloqueo de fricción mecánica existentes. A
diferencia de los anteriores mecanismos con control de apoyo,
esta rodilla permite al amputado iniciar la flexión de la
rodilla mientras el pie está todavía en el suelo,
sin quitar el peso de la prótesis
Figura 1. Diferentes tipos de
prótesis existentes en el mercado.
La prótesis adaptable es la tercera
generación de control con microprocesador de Endolite, es
una rodilla de eje sencillo presenta un cilindro híbrido
neumático e hidráulico controlado por
microprocesadores con sensores de oscilación, fuerza y
tiempo que detectan los cambios en la marcha 62.5 veces por
segundo. Puede ser programada para la recuperación del
tropezón, subir y bajar escaleras, cuestas, rampas y
varias velocidades de marcha. La prótesis adaptable no
necesita un segundo modo para montar en bicicleta.
Algunos de los últimos avances
tecnológicos son resaltados en publicaciones
médicas. Varios de estos desarrollos hacen uso de la
robótica y de nuevos materiales para el diseño
tanto de prótesis inferiores como superiores. La
compañía Biedermann Motech desarrolla una
prótesis de rodilla que incorpora sensores para la
medición de fuerzas ejercidas sobre la prótesis y
de la orientación angular de la rodilla. La rodilla de
ésta prótesis utiliza un fluido
magnetoreológico como amortiguador, lo cual es una mejora
en comparación con la rodilla hidráulica. El
laboratorio de BioRobótica de la Universidad de Washington
en Seattle ha realizado el estudio sobre la utilización de
músculo artificial conocido como McKibben, el cual es
operado a partir de actuadores neumáticos, para ser
implementado en prótesis para miembro inferior.
Rodillas
Policéntricas
El tipo de rodilla policéntrica más
común es la rodilla de cuatro barras, ya que tiene cuatro
ejes de rotación conectados por cuatro eslabones
rígidos y cuatro puntos de pivote. Estas son
diseños complejos, ya que abarcan centros múltiples
de rotación. Esencialmente esto consiste en que hay
articulaciones anteriores y posteriores, superiores e inferiores
ligadas entre sí. La naturaleza de estas tiene dos
ventajas dominantes: estabilidad en la fase de postura y
naturalidad en el movimiento de flexión, además de
tener la capacidad de proporcionar una separación del pie,
al caminar y así obtener una flexión óptima,
lo que le permite al paciente amputado caminar con menos
preocupación durante la fase de oscilación como se
muestra en la Figura 2.
Figura 2. Rodilla
Policéntrica.
Mecánicamente, la suma de las rotaciones
policéntricas potenciales, determinará un centro
instantáneo de rotación que corresponde a una
articulación. La estabilidad en los mecanismos
policéntricos está determinada por la distancia de
sus centros instantáneos de rotación. Cuanto mayor
es la distancia, mayor es la estabilidad inherente del
dispositivo durante la fase de la postura recta .
Comparación entre los mecanismos de un
solo eje con los policéntricos
El mecanismo de rodilla de un solo eje, esencialmente,
es una bisagra simple. Generalmente es considerada de clase
básica debido a que el diseño es más
económico, ligero, durable y disponible, pero tienen
limitaciones, ya que en virtud de su simpleza, no tienen control
de postura. Los pacientes amputados deben de hacer uso de su
fuerza muscular para mantenerse estables cuando se encuentran de
pie. Para compensar esto, incorpora un seguro manual y un control
constante de fricción; la que hace que la pierna no avance
con demasiada rapidez al dar el siguiente paso y un seguro
manual. El mayor inconveniente de este tipo de mecanismo es que
solo permite andar de forma óptima a una velocidad
concreta .
Los mecanismos de rodilla policéntricas,
también designadas mecanismos de cuatro barras, son
más complejas en diseño y tienen múltiples
ejes de rotación, su flexibilidad es la primordial
razón de su validez, ya que pueden ser versátiles
en el acomodo de sus dispositivos para ser más estable
durante las fase temprana de la postura, con todo y más
fácil aún para iniciar la fase de oscilación
o para sentarse. Otra característica popular del
diseño de la rodilla es que la longitud de la pierna se
acorta cuando se inicia un paso, reduciendo el riesgo de
tropezar. Los mecanismos de rodillas policéntricas son
adecuados para una amplia gama de pacientes amputados. Diversos
tipos son ideales para pacientes que no sienten seguridad para
caminar con las prótesis de un solo eje, que tienen una
desarticulación de rodilla, amputación bilateral de
pierna o un miembro con longitud residual.
Una norma para las prótesis de rodillas
policéntrica es la interfaz de un giro simple
mecánico con el control que proporciona una óptima
velocidad al caminar, sin embargo, a varias prótesis se
les incorpora un fluido (neumático o hidráulico),
para permitir el control de giro con una velocidad variable para
la marcha. La limitación más común de los
diseños policéntricos es el rango de movimiento,
que es restringido hasta ciertos grados de libertad, aunque por
lo general no genera gran problema. Las desventajas que tienen
son que suelen ser pesadas y contienen partes que se deben
reemplazar en un periodo de vida corto, además de
necesitar servicio de mantenimiento más a menudo que otros
tipos de prótesis.
El eje único, usualmente incorpora un mecanismo
de control de fricción y frecuentemente un bloqueo manual.
Aunque ésta no imita exactamente al movimiento de la
rodilla humana su mecánica es simple y el mantenimiento
también; es actualmente la más utilizada en el
diseño de las prótesis y por último podemos
decir que la rodilla con eje único provee limitada
ganancia de flexibilidad y reduce la estabilidad
mecánica.
Por otra parte, el diseño de eje
policéntrico provee un centro móvil de
rotación, como se muestra en la figura 3,
bloqueado por el grado de flexión de la rodilla. La gran
ventaja del arreglo policéntrico es que permite la
estabilidad de la rodilla cuando se hace contacto con el
talón y reduce la estabilidad al momento del despegue de
la punta del pie; con ello se incrementa la distancia de contacto
con el piso y se reduce la posibilidad de tropiezo.
FIgura 3 . Mecanismo
Policéntrico
Al realizar las investigaciones de la anatomía y
biomecánica de la rodilla se determinó que los
elementos principales que intervienen en la estabilidad y la
movilidad, son básicamente 4 ligamentos (en los cuales
está basado la prótesis), los ligamentos
colaterales y los ligamentos cruzados anterior y posterior
(Figura 4). En la postura de pie, la línea de
gravedad cae aproximadamente a través del eje de la
articulación de la rodilla en extensión completa,
el brazo de momento de la línea de la gravedad es de cero,
por lo tanto no se necesita fuerza muscular para mantener el
equilibrio en este punto. La fuerza de compresión de la
articulación es igual a la mitad de la masa o peso
sobrepuesto o aproximadamente 50 kg, para un hombre de 100 kg. Al
flexionarse la rodilla, sin embargo, la línea de gravedad
cae por detrás del eje articular (Figura 5). Se
obtuvo la interpolación de masas para una persona de 40 y
100 kg, para un hombre de 40 kg es aproximadamente de 23 kg y
para uno de 100 de 47.07 kg. Usamos estos datos y la segunda
condición de equilibrio para el cálculo de la
fuerza muscular del cuadríceps.
Figura 4. Ligamentos de la
rodilla.
Figura 5. Desplazamiento del
centro de gravedad.
Opciones de
Estabilidad
Bloqueo Manual o Sistemas de Bloqueo Activado con Peso.
Algunas personas con prótesis tienen la necesidad o deseo
de la seguridad de un conjunto de dispositivos que bloquean la
prótesis de rodilla al momento de la extensión para
evitar el pandeo. Una opción para resolver este problema
puede ser el bloqueo manual de la prótesis, el cuál
incorpora un cierre automático que puede inmovilizarla
automáticamente. Este es el diseño más
válido para la prótesis, ya que hace más
placentero el caminar, ya sea con bloque activado o desactivado;
a pesar de que la prótesis requiere una cantidad excesiva
de energía para usarla y producir un paso torpe y tieso.
El bloqueo manual de la prótesis es apropiado para los
pacientes débiles, así como para personas activas
que a menudo caminan sobre terrenos inestables.
Otra opción es la activada por el peso,
(posición-control de rodilla). Esta prótesis es muy
estable además de ser preescrita para personas que van a
utilizar por primera vez una prótesis. Su sistema de
funcionamiento es como una constante de fricción sobre la
rodilla durante la oscilación de la pierna, pero en la
extensión se encuentra un mecanismo de frenado hasta que
la pierna quede en la fase de postura y el peso sea colocado
sobre la prótesis.
La prótesis diseñada tiene un bloqueo
manual que la persona lo acciona, mediante un mecanismo de
trinquete (ver figura 6)
Figura .6 Mecanismo de trinquete
de la prótesis diseñada
Opciones de
Control de Movimiento
Todos los sistemas de prótesis requieren de
ciertos grados de control del giro para mantener un paso
uniforme. En muchos casos, este control es proporcionado por la
fricción mecánica en el eje de rotación y es
ajustada a la marcha normal de la pierna opuesta. La
fricción constante de la rodilla son unidades simples,
ligeras y fiables. Su principal desventaja es que la
prótesis se ajusta para tener una sola velocidad de marcha
en un momento dado.
La fricción variable ofrece una mayor resistencia
a medida que la rodilla se dobla y se extiende en toda plenitud.
Esto proporciona una "cadencia-respuesta", que permite una
varianza de velocidad en la marcha; sin embargo, este sistema
requiere frecuentes ajustes y sustitución de las piezas en
movimiento, lo cual es una desventaja en el control de sistemas
con fluidos.
Los modelos de prótesis policéntricas han
ido evolucionando, desde el movimiento en dos planos (o dos
grados de libertad), hasta los más recientes con seis
grados de libertad. La característica más
importante del movimiento de la articulación puede
describirse como una combinación de deslizamiento y
rodadura de los cóndilos femorales sobre el platillo
tibial.
La tecnología de hoy parece tan avanzada en
comparación a los primeros diseños de los
años 1600, solo se puede imaginar la evolución, que
en este caso, se tiene como resultado de los investigadores
siguen explorando la mecánica, hidráulica,
computación y biónica o tecnología
neuroprotésica .
Por lo que se ha establecido en este capítulo,
las prótesis existentes no han podido simular el
movimiento natural de la rodilla, así como el lograr
caminar con facilidad hacia delante, atrás y subir
escaleras, sin que el movimiento se vea tan robotizado. Si se
tiene la necesidad de poseer una prótesis que reemplace
por completo el miembro inferior, así que el problema a
resolver es realizar el diseño de un mecanismo para
prótesis que sea flexible.
Y puesto que las prótesis seguirán siendo
siempre algo artificial a su portador, es igualmente importante
ver desde un punto holístico tratar las necesidades
estéticas de la gente que ha perdido un
miembro.
Diseño de
la prótesis
Se hizo el cálculo de la fuerza muscular
extensora del cuadríceps necesaria para mantener la
flexión de la rodilla a 20º al estar parado sobre un
solo miembro y mantener la estática (Figura 5).
Se toma en cuenta este ángulo debido a que la mayor parte
de la fase de apoyo es menor a 20º.
Después se realizó la investigación
de los materiales para elaborar la prótesis, se
determinó que se utilizaría aluminio TIPO EN AW
1200 para los elementos de la prótesis de la rodilla, la
pierna y el pie y Nylon 6.10 para el encaje. A partir de las
investigaciones, resultados y cálculos realizados se
propuso un diseño mecánico haciendo uso del
programa de diseño Solidworks 2010, donde se
evalúan las formas, el tamaño y se puede realizar
una simulación del movimiento y textura de los materiales;
el diseño de la prótesis con todos sus componentes
se observa en la figura .7
Figura .7 Vista general de la
prótesis diseñada (incluye además de la
rodilla policéntrica el pie, la pierna y el
encaje
Se realizaron dos diseños de
rodillas con mecanismo policéntrico con todas sus partes a
los cuales se les denominó VMY-1 y VMY-2. Ver figura
8
Figura 8 Rodillas
policéntricas VMY-1(a) y VMY-2 (b)
Después, ya habiendo obtenido un diseño
del mecanismo de rodilla, para verificar que el mecanismo soporta
los esfuerzos producidos por el peso del paciente se realizaron
análisis de esfuerzos y deformaciones utilizando el
software de elementos finitos Solidwoks Simulation (Ver
Figuras .9 -.15).
El diseño total de la prótesis en
Solidworks permite obtener los planos de cualquier pieza, ya que
todas han sido diseñadas para conformar el ensamble (Ver
figura 9).
Figura 9. Dibujo de la
prótesis total de pierna que incluye la rodilla, el
encaje, la pierna y el pié
Figura 10. Diseño del
Mecanismo de la rodilla.
Figura 11. Mallado de la parte
superior de la prótesis para su cálculo usando el
MEF.
Figura 12. Valores del factor de
seguridad en los diferentes puntos de la parte superior de la
prótesis.
Figura 13. Selección del
material para la prótesis inferior usando el
MEF.
Figura 14. Valores del factor de
seguridad en los diferentes puntos de la parte inferior de la
prótesis.
Diseño del
encaje
Definidos los criterios, se llevó a cabo el
diseño y modelado del encaje utilizando el software
Solidwoks 2010 (Ver figura 15) basado en la biomecánica
del aparato locomotor y teniendo en cuenta que el usuario no
sufra daños o lesiones ocasionados por el mismo encaje. El
diseño del encaje se hizo teniendo en cuenta que
éste debe contener al muñón; para distribuir
las fuerzas de carga del peso sobre estructuras anatómicas
que puedan tolerar la presión sobre un hueso plano. El
encaje debe ser ligero de peso y resistente, permitiendo que el
usuario ejecute actividades de la vida cotidiana con cierta
facilidad; razón por la cual, se hizo el análisis
de ingeniería por elementos finitos (FEA) utilizando el
módulo Solidworks Simulation.
La comodidad con el uso del encaje es de suma
importancia para el usuario de una prótesis, y esto se
logra a través de una funda de silicona comercial que
permite la unión de la prótesis al
muñón; permitiendo así el correcto asiento y
perfecto ajuste que tienen una especial importancia para obtener
la mayor funcionalidad. Además, la funda protege la piel y
evita roces y permite una fácil fijación mediante
un sistema de trinquete sobre un vástago dentado. Como
material del encaje se usó Nylon 6 y se consideró
el peso de una persona de 100 Kg.
Figura 15. Diseño y mallado
del encaje..
Figura 16. Valores del factor de
seguridad del encaje
Diseño del
pie
Para complementar se utilizó un pie de tipo sach
acoplado al mecanismo por un tubo de Aluminio (ver figura 17).
Este elemento también fue calculado usando el MEF para una
persona de peso de 100 Kg, arrojando valores satisfactorios del
factor de seguridad (ver figura 18)
Figura 17. Diseño del
pie
Figura 18. Valores del factor de
Seguridad en el pie
Diseño del
mecanismo telescópico
Se utilizó además un mecanismo
telescópico con un resorte para articular la rodilla y que
sirviera además de amortiguamiento para la marcha. Las
dimensiones del muelle dependen del peso de la persona que vaya a
utilizarla (ver figura 19).Se realizaron los cálculos de
los resortes que se utilizarían tomando en cuenta el peso
de las personas. Se usó como valor máximo del peso
100 Kg y como valor mínimo 40 Kg
Figura 19 Detalles del mecanismo
telescópico
Carrera
máxima y mínima del pistón
Estas restricciones se plantean por la
movilidad que debe tener la rodilla, por lo que estos
parámetros se deducen teniendo en cuenta el ángulo
máximo y mínimo que puede alcanzar la rodilla. En
la figura .20 se muestra la carrera máxima y mínima
que debe tener el mecanismo telescópico.
Figura. 20 Carrera máxima y
mínima del mecanismo
telescópico
Simulación
del movimiento de la prótesis
Además de comprobar la resistencia de los
diferentes elementos de la prótesis se simuló
además el movimiento de todos los elementos y de la
prótesis de rodilla en particular para comprobar su
funcionamiento. Para ello se usaron los Software Solidworks
Motion y Visual Nastran. Se pudo comprobar que todos los
mecanismos y partes se movían y funcionaban adecuadamente.
(Ver figuras 21 y 22)
Figura. 21 Simulación del
funcionamiento de la prótesis total en Solidworks
Simulation
Figura. 22 Simulación del
funcionamiento de la prótesis de rodilla en
VisualNastran
Conclusiones
El mecanismo de rodilla de un solo eje, esencialmente,
es una bisagra simple. Su diseño es más
económico, ligero, durable y disponible, pero tienen
limitaciones, ya que en virtud de su simpleza, no tienen control
de postura.
Los pacientes amputados deben de hacer uso de su fuerza
muscular para mantenerse estables cuando se encuentran de pie.
Para compensar esto, incorpora un seguro manual y un control
constante de fricción; la que hace que la pierna no avance
con demasiada rapidez al dar el siguiente paso y un seguro
manual.
El mayor inconveniente de este tipo de mecanismo es que
solo permite andar de forma óptima a una velocidad
concreta.
Los mecanismos de rodilla policéntricas,
también designadas mecanismos de cuatro barras, son
más complejas en diseño y tienen múltiples
ejes de rotación, su flexibilidad es la primordial
razón de su validez, ya que pueden ser versátiles
en el acomodo de sus dispositivos para ser más estable
durante las fase temprana de la postura, con todo y más
fácil aún para iniciar la fase de oscilación
o para sentarse. Otra característica popular del
diseño de la rodilla es que la longitud de la pierna se
acorta cuando se inicia un paso, reduciendo el riesgo de
tropezar.
Se obtuvo un diseño de prótesis externa
total de rodilla con todos sus elementos en Solidworks el cual es
fácilmente modificable de acuerdo a los diferentes
requerimientos de pacientes y médicos.
Se simuló el movimiento encontrando que el centro
instantáneo de rotación del mecanismo puede
localizarse en la intersección de la línea central
de los eslabones anterior y posterior en cualquier
posición de la flexión de la rodilla, es decir, el
diseño resultante es el de un mecanismo
policéntrico.
Con los análisis que se realizaron utilizando el
simulador de esfuerzos por elementos finitos Solidworks
Simulation, se obtuvo que las piezas soportan la carga producida
por un paciente de 100 kg sin que sufran deformación y
tensiones importantes, lo cual hace que se considere al mecanismo
robusto y de alto desempeño.
El sistema posee un actuador mecánico (con
resorte) cuyo retorno tiene un tiempo aproximado de 1 s. Tiempo
suficiente para una caminata normal a una velocidad de 4.km/h,
sin límite de kilometraje por día. El sistema de
bloqueo del mecanismo es mecánico con mecanismo de
trinquete. Inclusive sobre el actuador mecánico se ha
realizado el ajuste de tensión de los resortes en dos
casos de pacientes para su ciclo de marcha y peso; teniendo una
familia de resortes es factible el ajuste en todo el intervalo de
pesos de pacientes y velocidades. Hay que hacer notar que
efectivamente a velocidades cercanas a los 5 km/h el sistema
comienza a presentar inestabilidad en cuanto al retorno del
mecanismo.
Con las características que presenta el sistema
diseñado, se puede afirmar que sus principales
características son el mecanismo policéntrico de
rodilla y el costo de producción bajo, con lo cual puede
ponerse a disposición de los usuarios a un costo de
instalación del 20% con respecto a la rodilla de Otto
Block. Permitiendo aseverar que agregando nuevos materiales con
densidad inferior y tecnologías de control en base a
microcontrolador y actuadores hidráulicos, puede hacer del
mecanismo policéntrico de barras un sistema que rompa con
sus carencias, optimizable y accesible a usuarios de escasos
recursos.
El análisis por elementos finitos por computador
se utilizó para comprobar, mediante el análisis de
ingeniería, el comportamiento funcional bajo la carga
normal moderada de un individuo de 100 Kg de peso. Las paredes
laterales del encaje experimentan una presión
máxima de 23 MPa, por lo que se puede calificar el
diseño y el material como seguros para las condiciones a
las cuales será sometido por el paciente; ya que el
esfuerzo de fluencia del material es aproximadamente de 32.
MPa.
El sistema de fijación de la funda permite la
utilización de fundas comerciales de diferentes tipos como
elemento opcional de fijación complementario muy
versátil. El sistema de acople de la prótesis al
encaje diseñado permite colocar el encaje a
prótesis comerciales mediante cuatro tornillos
fácilmente disponibles en el mercado.
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p.p. 49-50.
Autor:
Vairon Vázquez Roa
Jorge L. Moya
Rodríguez
Yamill S. Campos
Pérez