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 sustituyeBaterías._ 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.