Estado del arte de la bioingenieria en el area de las protesis de mano
Resumen: En este artículo se hace una revisión de los tipos de prótesis de mano que se han desarrollado con diferentes tipos de tecnologías, incluyendo ventajas y desventajas de su utilización. Se presenta la evolución tecnológica de las prótesis de mano durante estos últimos años, además de cómo es su diseño dependiendo de ciertos factores demandados por el usuario final de la prótesis Finalmente se hace referencia a las nuevas tendencias en la utilización de materiales así como el tipo de prótesis más eficiente actualmente.
Palabras Clave: Prótesis de mano, control, materiales inteligentes.
Abstract: This article is a review of the types of prosthetic hands have been developed with different technologies, including advantages and disadvantages of their use. We present the technological evolution of prosthetic hands in recent years and their design depending on certain factors demanded by the end user of the prosthesis Finally, refers to the new trends in the use of materials as well as more efficient prosthesis type currently
Keywords: Hand prosthesis, control, smart materials.
Introduccion
La mano del hombre es uno de los miembros principales del cuerpo, siendo esta una herramienta de manipulación la cual le permite la experimentación y tacto de todo tipo de objetos [1], transformándose en el principal órgano de funcionalidad táctil que proporciona información al cerebro del entorno próximo, esta cumple las funciones de la presión y el tacto, las cuales permiten al hombre la transformación de ideas que este posee, así también añaden expresión a las palabras que emite, por ejemplo en las personas que poseen enfermedades como los sordomudos [2].
La Bioingeniería es una ciencia que posee múltiples áreas las cuales por lo general van dirigidas a resolver situaciones relacionadas con la salud de los seres humanos, siendo uno de los principales problemas la perdida de los miembros en el cuerpo; las prótesis de mano poseen el propósito de brindar una mayor comodidad a las personas que carecen del miembro, ya sea como apoyo para la realización de tareas, o como un aspecto netamente estético [3].La fabricación de prótesis o sustitución de miembros data desde hace dos mil años [4], actualmente gracias al avance en muchos campos tecnológicos ha permitido el avance y desarrollo de esta área, lo cual permite satisfacer cada vez más exigencias, no solo en el desarrollo de las prótesis de mano sino, en las prótesis de los demás miembros del cuerpo.Las exigencias que deben cumplir una prótesis de mano, es el punto de partida para el diseño y la construcción de la misma, en la cual se ven involucrados una gran variedad de áreas tecnológicas y medicinales para su realización, ya que hay que tener en cuenta los aspectos tecnológicos pero también médicos, las cuales año tras año se desarrollan junto con la tecnología usada. Actualmente ha existido mucho esfuerzo los cuales se han consolidado al diseño y construcción, junto con la utilización de múltiples materiales para su producción, lo que cada día proporciona un avance de las prótesis, siendo cada vez más parecida a un brazo humano. [5].
El objetivo de este artículo es realizar una investigación de los avances que ha tenido la bioingeniería en el área de las prótesis de mano , en donde se considerara los tipos existentes hasta la fecha, presentando las utilidades, ventajas y desventajas de cada tipo, para posteriormente realizar un estado del arte en general de las prótesis de mano, identificando desarrollos recientes en su tecnología , para finalmente identificar los materiales últimamente empleados, analizando las facilidades que estos presentan a la persona que usa la prótesis.
Desarrollo
A. Desarrollo actual: En las últimas décadas el desarrollo y evolución progresiva de las prótesis de mano ha sido notorio, día tras día se realizar avances para que esta se asemeje cada vez más a los miembros a los cuales el hombre quiere reemplazar, actualmente comenzó a implementarse en estas sensores, los cuales son los encargados de captar la actividad, siendo esto un gran salto y avance ya que este ha sido unos de los problemas críticos que siempre se han presentado, el tacto ,[6] en la elección de una prótesis, se deben tomar en cuenta factores importantes como el nivel de amputación, por lo que depende de los requerimientos de cada paciente , los diferentes tipos existentes son [2]:
1) Prótesis Mecánicas:
Las prótesis de mano mecánicas poseen un arnés el cual se "sujeta alrededor de los hombros, parte del pecho y parte del brazo controlado por el usuario", cumple con la función básica de una mano humana que es la apertura o cierre de la misma para la manipulación de objetos, a pesar de que en lo estético, este tipo de prótesis no son de mucha preferencia, para hacerla más atractiva a la vista se los "recubren con un guante para dar una apariencia más estética [6].
Figura 1. Prótesis mecánicas. [9]
2) Prótesis Estéticas:
Estas prótesis estéticas comúnmente se las llama prótesis pasivas, como su nombre lo presenta estas solo tienen un papel fundamental que es cubrir el aspecto de un miembro amputado. Se utilizan materiales como PVC rígido o silicona, ya que su característica es que son muy livianas, cabe destacar que este tipo de prótesis no tienen movimiento alguno [5].
Figura 2. Prótesis Estéticas. [5]
3) Prótesis Hibridas:
Las prótesis hibridas combinas la acción del cuerpo con el accionamiento por electricidad combinadas en una sola prótesis, [4] su utilización es para personas que han sufrido una amputación por encima del codo, estas utilizan un codo accionado por el cuerpo y un dispositivo controlado en una forma Mioeléctrica, algunas personas las prefieren por su facilidad de uso al momento de flexionar el codo. [2]
Figura 3. Prótesis Hibridas. [7]
4) Prótesis Eléctricas:
Las prótesis eléctricas usan motores eléctricos, además poseen una batería recargable, el control de este tipo de prótesis es con un servocontrol, se usa un socket para acoplar a prótesis al brazo, como se puede observar en la figura 4, la desventaja de esta prótesis, es que su cuidado y mantenimiento es muy costoso, además de que son demasiado pesadas para las personas que no unen [7].
Figura 4. Socket de Acoplamiento de la prótesis. [8]
Figura 5. Prótesis Eléctrica [8]
5) Prótesis Neumáticas:
Las prótesis neumáticas utilizan un compresor el cual es el encargado de proporcionar aire comprimido, ya que esta prótesis utiliza actuadores que cumplen el papel de músculos neumáticos, [5] además de válvulas que son las encargadas de comandar la presión o rotación de la misma, [9] su principal ventaja es que posee una gran fuerza y rapidez de movimiento, siendo los aparatos mencionados la principal desventaja que estas prótesis presentan ya que son muy grandes, y su mantenimiento es costoso.[5]
Figura 6. Prótesis Neumática [5]
6) Prótesis Mioeléctricas:
Las prótesis Mioeléctricas son prótesis electrónicas, actualmente son una de las más utilizadas en el mundo, ya que proporcionan un mejor aspecto estético, poseen una gran fuerza y velocidad de prensión, su funcionamiento se basa en que siempre un musculo funciona produce señales eléctricas. Estas prótesis proporcionan grandes ventajas como que solamente la persona que usa la misma flexione sus músculos para operarla, además que ya no requiere un arnés, como es una prótesis electrónica, el uso de baterías es una gran desventaja de la misma, aunque muy pequeña en comparación con las ventajas que posee [7][10][18].
En el caso de amputaciones de alto nivel, la prótesis no proporciona la flexibilidad suficiente, por lo que esta debe ser modificada para presentar más facilidades. [11]
Figura 7. Prótesis Mioeléctrica [10]
B. Evolución de las prótesis: Con el uso de la tecnología actual, las prótesis se han ido desarrollando de una manera enorme [14][17], permitiendo la fabricación de un sin número de prototipos los cuales emulan en gran porcentaje los movimientos de una mano humana real [5], entre las prótesis más desarrolladas y conocidas mencionamos:
1) Prótesis biónica I-Limb:
Esta prótesis es una de las más utilizadas en el día de hoy, una de las razones es porque proporciona muchas ventajas al usuario como que posee los movimientos básicos que la mano de una persona realiza diariamente, sus dedos se mueven independientemente [18], el cual permite a la persona realizar sus actividades regulares sin problema alguno. Los dedos de esta prótesis son controlados independientemente, permitiendo realizar rotaciones hasta 90 grados permitiendo realizar una gran cantidad de agarres de precisión y potencia [5][7][16].
Figura 8. Prótesis I-limb [5]
2) Prótesis CyberHand:
Esta prótesis consta de dedos que son completamente articulados y comandados por seis pequeños motores, los cuales mediante electrodos se conectan a las terminaciones nerviosas de la persona, la característica principal de esta prótesis es que recoge información del cerebro mediante sensores los cuales mueven a los motores, la persona que lo usa luego de un corto tiempo siente la misma como parte de su propio cuerpo. [7][15]
Figura 9. Prótesis CyberHand [7].
3) Prótesis Michelangelo:
Esta prótesis se caracteriza por poseer una gran variedad de movimientos, además de mecanismos de fuerza de velocidad [5], está constituida de acero, externamente esa recubierta de silicón, que reemplaza las estructura blanda, así también posee plásticos de alta tecnología que sustituye a músculos y tendones de la persona, la ventaja que posee esta prótesis es que posee hasta seis grados de libertad así como una gran variedad de movimientos que permiten que esta sea muy flexible y que posea resistencia al agua [7].
Figura 10. Prótesis Michelangelo [7].
B. Aplicación de sensores en prótesis de mano: EL cuerpo humano dispone de un conjunto muy complejo de nervios y mecanismos los cuales sirven a la persona para obtener información muy completa del entorno en el cual se encuentra la persona, siendo parte fundamental las manos ya que poseen el tacto que es uno de los sentidos más necesarios e importantes que se posee, siendo esta la parte del cuerpo que más contacto posee con el exterior, por lo tanto si una persona pierde este miembro, se ve muy limitado en todos los aspectos. El objetivo del desarrollo de las prótesis, es que la parte realizada se parezca cada vez más al miembro faltante, por ejemplo los sensores tienen como objetivo simular el tacto de la mano, estos tienen como finalidad obtener algunas señales, convirtiendo a estos a estímulos en forma de voltaje, en una prótesis de mano se tiene la oportunidad de colocar muchos tipos de sensores, ya que se necesita sensores que indiquen factores como humedad, presión, vibración entre otros. [12].El movimiento y posición de los miembros o extremidades son controladas por señales eléctricas, que son controladas por el sistema nervioso, para la detección de estas señales eléctricas se utiliza electrodos los cuales son colocados en ciertas zonas el miembro, estas señales han sido útiles para el control de prótesis comandadas por motor o para excitación de músculos con parálisis como se puede observar en la figura 11.[13]
Figura 11. Colocación de electrodos [13]
Para el control de los sensores de las prótesis se necesita el conocimiento de los impulsos eléctricos de los músculos los cuales se obtienen mediante electrodos, pero estas son demasiado pequeñas por lo cual se utiliza la amplificación, los cuales se realiza mediante amplificadores operacionales.
Figura 12. Esquema de un amplificador de instrumentación [13]
Por lo tanto en una prótesis se encuentran una gran variedad de sensores biológicos y artificiales, los cuales son los encargados de producir los estímulos y características siguientes:
Fuerza: Medida de presión aplicada a una zona.
Tacto: Proporciona información sobre el contacto.
Contacto: Mediada de simples contactos, debía a las fuerzas ejercidas sobre superficies.
Deslizamiento: Medida de la fuerza que se ejerce al agarrar un objeto.
C. Diseño de una prótesis: En los últimos años ha existido muchas mejoras técnicas en el diseño de las prótesis de mano, y en la estética, también se ha mejorado el aspecto visual que dan a la prótesis un aspecto realista con los guantes de silicona , además que la densidad de energía de las baterías ha aumentado rápidamente, y estas pueden ser utilizadas más de 12 horas, con una sola carga, encuestas realizadas a los usuarios han confirmado que más que un aspecto estético buscan una buena y fácil funcionalidad [14].
Un diseño artificial puede usar motores así como puede estar accionado por un sistema hidráulico, en estos sistemas se tiene actuadores que poseen un accionamiento compacto, los actuadores están integrados en las articulaciones de los dedos, se expanden durante el movimiento de flexión y extensión del mismo, loa actuadores utilizados son actuadores lineales basado en motores, con el fin de lograr una buena apariencia la construcción mecánica de las prótesis generalmente está cubierto con un guante de caucho de silicona, su coeficiente de fricción ayuda a prevenir la caída de objetos durante un agarre, su comando se da por medio de la energía suministrada por dos baterías de litio [14].
Figura 13. Dedo de una prótesis de mano [14].
En la figura 13 se puede apreciar la composición de un dedo de la prótesis [14]:
1) Accionador en Reposo
2) Parte del Montaje
3) Articulaciones
4) Articulación Flexible
Figura 13. Acoplamiento final de una prótesis [14].
La prótesis puede estar equipada con un sistema de retroalimentación de fuerza, para realizar agarres sin control visual, de los diferentes principios de fuerza, el mejor para las prótesis es un sistema vibro táctil, que consiste en un sensor táctil que se puede integrar en las yemas de los dedos, además de un controlador que funciona como un convertidor analógico-digital, el cual es el encargado de mandar los pulsos para la realización de acciones, en donde los dedos son alambres musculares delgados y de alta resistencia mecánica, fabricadas de aleaciones de níquel y titanio [14].
Conclusiones
La fabricación de las prótesis de mano en los últimos años ha tenido un gran avance gracias al desarrollo de la tecnología, con métodos y técnicas de modelamiento y diseño de mecanismos, lo cual ha permitido que las prótesis de mano posean un alto desempeño en simulación de movimientos y posean una gran aspecto natural, siendo estos aspectos fundamentales para obtener prótesis que emulen en funcionalidad los movimientos que desempeña la mano del ser humano.
En los últimos años el avance de la bioingeniería ha permitido el desarrollo de prótesis con un gran desempeño, los cuales son capaces de recibir señales de los nervios así como del cerebro del ser humano, sin embargo este tipo de prótesis son demasiado costosas, por lo que en la actualidad las personas optan por usar prótesis netamente estéticas, o prótesis mecánicas sencillas, el uso de un sistema hidráulico en las prótesis ha cumplido los requisitos generales de diseño que demandan los usuarios, además de dar una apariencia natural, sin embargo su peso es comparables con la de una prótesis convencional, la fuerza de agarre que proporciona es suficiente para realizar toda clase de actividad, siendo esta una de las prótesis de más uso en la actualidad. En Ecuador se están desarrollando proyectos impulsados por el gobierno actual para la fabricación de prototipos de prótesis, pero estas aun no presentan la confiabilidad y desarrollo necesarios para realizar movimientos necesarios para que el usuario pueda realizar sus actividades con total normalidad en el desarrollo de su día. La evolución hacia la fabricación de una prótesis que cumpla todas las expectativas tanto en funcionalidad como en costo, ocurrirá posiblemente en pocos años, para lograr una prótesis de esa magnitud se requerirán de grandes esfuerzos de la ingeniería, que junto con la tecnología permitirán superar debilidades y desventajas presentes en las prótesis actuales.
Referencias
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BIOGRAFIAS
David Orlando Romero Mogrovejo, Ecuador, nació el 04 de Marzo de 1996. Realizo sus estudios en el instituto Técnico Superior Salesiano, actualmente realiza sus estudios en la universidad Politécnica Salesiana.
Nelson David Cedillo Mendoza, Ecuador, nació el 22 de Noviembre de 1995. Realizo sus estudios en el instituto Técnico Superior Salesiano, actualmente realiza sus estudios en la universidad Politécnica Salesiana.
Autor:
David Orlando Romero Mogrovejo,
Nelson David Cedillo Mendoza
Universidad Politécnica Salesiana
Cuenca, Ecuador