Resumen
Con la ayuda de las prótesis un ser humano es capaz de sustituir el miembro perdido por múltiples situaciones o reemplazar el miembro que se no se encuentra en su funcionalidad correctamente, es así que por medio de este documento se da a conocer específicamente las prótesis de mano ya que en la actualidad existen prótesis para la mayoría de partes del cuerpo, trataremos de los diferentes mecanismos usados para producir su movimiento, conoceremos cuales son los materiales usados y se conocerán las diversas metodologías de mejora que se han ido proporcionando con el pasar de los años.
Abstract.- With the help of prostheses a human being is able to replace the lost limb by multiple situations or replace the member who is not in its functionality properly, so that through this document specifically discloses the prosthetic hand since there are currently prosthesis for most body parts, try the different materials used to produce movement mechanisms , know what are the materials used and the various improvement methodologies that have been providing to the passing of the be known years.
Introducción
Teniendo el conocimiento de que la mano es una de las extremidades más importantes del ser humano desde su existencia ya que con la misma se pueden cumplir múltiples funciones debido a las articulaciones que presenta como: escribir, sujetar, pintar, entre otras aplicaciones. La mano es una extremidad súper compleja y desarrollada es así que de no tenerla proporciona muchas dificultades ya que el celebro desarrolla un proceso para enviar a la extremidad para cumplir una función específica, pero si no se posee la misma este flujo de información se corta proporcionando múltiples inconvenientes , entonces la prótesis tiene el propósito de brindar una mejora o brindar un reemplazo a una función de una parte del cuerpo afectada permitiendo que el flujo de información enviada desde el cerebro cumpla el objetivo por el cual fue elaborado, aunque no parezca la prótesis en personas que han tenido amputaciones por diferentes situaciones permite un mejor desarrollo psicológico. [1] [2]
Al momento de perder la extremidad superior inmediatamente se generan específicamente dos consecuencias: la primera y más relevante es una drástica disminución de funcionalidad debido a no poder cumplir las funciones que se venían desarrollando con anterioridad y la segunda es la modificación de la estética en la donde se encontraba la extremidad superior produciendo a la persona una angustia psicológica. [3] Es así que el implante debe tener como objetivo primordial restaurar la mayor de las funciones que se perdieron y brindar una buena apariencia, caso contrario el amputado seguirá sin ningún progreso en su vida. [4] Por esta razón, la necesidad de desarrollar prótesis sea lo ha venido realizando desde mucho tiempo, es así que se tiene como conocimiento que el primer registro de elaboración de un implante de mano fue desarrollada en el tiempo de 2000 a.C. "fue encontrada en una momia egipcia; la prótesis estaba sujeta al antebrazo por medio de un cartucho adaptado al mismo." [1] Mediante esta idea de ayudar a las personas que no disponen de su extremidad superior en el siglo XVI Ambriose Paré dio un gran avance con los implantes para llegar al siglo XX cuando Gripoulleau un médico francés realizo los accesorios de las extremidades artificiales, así Dorrance en 1912, con sus estudios en esta área desarrollo el Hook que cumple con las necesidades para que el paciente retorne a la vida laboral. [5]
Con el pasar de los años y el avance tecnológico que se ha ido proporcionando, una observación desde la ingeniería de sistemas es que la ortopedia debe contener la mayor parte de rasgos de la mano humana, es así que en actualidad se dispone de múltiples ventajas para proporcionar una segunda oportunidad a personas que han perdido una de sus extremidades ya sea por medio de algún accidente o que han nacido sin aquella extremidad. [6] Es así que este documento trata sobre el estudio de los diferentes avances que se han ido desarrollando hasta la actualidad, los cuales facilitan un mejor estilo de vida a la persona que lo necesita, además se especificará los distintos mecanismos de funcionamiento de prótesis, como también de los materiales que son utilizados para la fabricación y cuáles son las comodidades que brindan dichos materiales de fabricación ya que cada persona es un mundo diferentes y puede ser que dicha prótesis no va con las necesidades de la persona o le proporcione mayor dificultad en su metabolismo. [8]
Marco Teórico
2.1 Sistemas Protésicos
2.1.1 Prótesis Mecánicas
Esta prótesis tiene como objetivo cumplir con las funciones primordiales como son la extensión y compresión de la mano, la misma está limitada al agarre de objetos grandes.Como se mencionó anteriormente para la extensión y compresión de la mano se lo realizo por medio de un arnés que se encuentra sujetado en los hombros, en una parte del pecho y obviamente en el brazo que va a controlar el beneficiario. El funcionamiento de la misma es el siguiente: Es basado en la expansión de un aliga por medio del arnés para lograr la extensión o compresión, esta señal mecánica se logran con la relajación del musculo obtenida por medio de codo u hombro. Todos los elementos son cubiertos con un guante brindando así una buena apariencia estética. [1] [5]
El tamaño del implante como el número de ligas necesarias dependerán de la fuerza como también del material para su fabricación, entonces dichas condiciones varían de acuerdo a las condiciones y necesidades de la persona, para que se dé un funcionamiento normal es conveniente que el usuario tenga mínimo un movimiento general debido a que esta prótesis es accionada pero medio del cuerpo. [7]
Fig. 1 Prótesis Mecánica [7]
2.1.2 Prótesis Eléctricas
Su funcionamiento se basa en motores eléctricos que pueden ser controlados por medio de servo-control, control con pulsante de arnés o se lo puede realizar mediante la combinación de ambos controles optimizando su mejoramiento [1] [7]. Una d las mayores desventajas es su reparación ya que posee un alto costo y su peso. [7]
Fig. 2 Prótesis Eléctrica [5]
2.1.3 Prótesis Neumáticas
Este tipo de prótesis son accionadas mediante ácido carbónico comprimido, lo que produce una gran cantidad de energía obteniendo una rapidez de energía, pero al mismo tiempo también presentan grandes desventajas como el uso del ácido y los accesorios. [1] Esta energía mencionada anteriormente es transmitida por medio de un sistema de tubos, las válvulas son ordenadas en una configuración especial, esta configuración dependerá y debe ser asistida por una fisioterapeuta [7]
Fig. 3 Prótesis Neumática
2.1.4 Prótesis mioeléctricas
Este tipo de implante son en la actualidad los que mayor aplicación presentan, ya que proporcionan una alta precisión y fuerza, las cuales se las consigue mediante la señal muscular obtenida por medio de electrodos que permiten la ampliación de dicha señal, la cual mediante un complejo sistema es procesada para el manejo de la prótesis. [5] El control mioeléctrico es basado bajo el concepto de que en el cuerpo siempre un musculo se encuentra contraído o flexionado, de modo que se genera una cantidad pequeña de señal, entonces como se mencionó anteriormente los electrodos son los encargados de recolectar estas señales y amplificarlas para poder enviar a un controlador que realiza el proceso de conmutación de los motores y genera el movimiento. [7]
Fig. 4 Estructura de un implante mioeléctrico
[1]
2.1.5 Prótesis hibrida
Este tipo de prótesis son requeridas o utilizadas por personas que poseen una amputación localizada más arriba del codo, entonces de aquí parte su modo de funcionamiento ya que combina la acción del cuerpo de la persona y el accionamiento por electricidad. [8] Frecuentemente estos implantes utilizan un codo que es accionado por el cuerpo y poseen un dispositivo controlado en forma mioeléctrica. [1] La característica que brinda este tipos de implantes son que permiten el control simultaneo de flexión y extensión del codo al momento de comprimir o expandir la mano mientras se mueve la muñeca. [7]
Fig. 5 Prótesis Hibrida [5]
2.1.6 Mano Multidedo antropomórfica infractuada.
Este tipo de prótesis tiene como objetivo realizar la mayor parte de movimientos de una mano normal, pero con la característica de que tiene mayor enfoque en la precisión dejando a un lado la fuerza en dichos movimientos, en otras palabras queremos decir que dicha prótesis tiene como preferencia reproducir de buena manera los movimientos de expansión y contracción de la mano en el instante sujetar los objetos dejando a un lado la fuerza que se ejerce sobre los mismos, los dedos de este implante serán independientes, cada uno se moverá con su propio actuador. Toda la energía que necesita esta prótesis proviene de baterías recargables y posee un indicador la batería para que de esta forma el usuario tenga presente al momento de realizar actividades que requieran el implante. [7]
Fig. 6 Mano Antropomórfica [7]
2.2 Mecanismos de movimiento de distintas prótesis
Para analizar los mecanismos de movimiento en prótesis de las manos es necesario referirse a prototipos ya hechos, los cuales nos darán una visión de que método es el mejor y más óptimo para la implementación de estas.
Para analizar las prótesis debemos tener en cuenta factores como el peso, los materiales utilizados, las dimensiones, la inercia.
2.2.1 Diseño Bio-Mecatronico
Esta prótesis se compone de 2 partes: La palma echa de un material que transmite una alta resistencia y peso ligero a la estructura. Los dedos hechos de aleación de aluminio, que tienen una forma cilíndrica para optimizar el agarre y el área de contacto con el objeto.
La prótesis se compone de tres dedos (índice, medio y pulgar) con 3 DOF, que son accionados por tres motores de corriente continua colocados en la parte inferior del antebrazo dando sensación de músculos extrínsecos naturales. Los dedos pueden flexionarse gracias a un cable que corre a lo largo del dedo y se envuelve alrededor de poleas colocadas en cada articulación de acuerdo con el mecanismo de sujeción. Las dimensiones de los dedos en la mano artificial son muy cercanos a los dedos humanos, la mano es capaz de adaptarse a la forma del objeto, debido al mecanismo dedo por cable. Este diseño contiene una caja de engranajes que se utiliza para generar el movimiento de aducción, la misma se encuentra dentro de la palma y provoca el movimiento del pulgar a través de un mecanismo de engranaje de rueda helicoidal. En este sistema el pulgar puede fijar su posición cuando el equipo está apagado. [9]
Fig. 7 Modelo de Prótesis Biomecatronica [9]
2.2.2 Prótesis con sistema subactuado de mano protésica de cinco dedos
Esta prótesis es similar al tamaño de la mano de un adulto y tiene un peso alrededor de 0,55 kg. El modelo de la mano tiene cinco dedos pero sólo el pulgar, el dedo índice y el dedo medio son accionados por tres motores paso a paso separados. Además posee un sistema sensorial, en el cual se encuentran sensores de posición y de par. Los sensores de posición se utilizan para medir las articulaciones de base y el ángulo de tres dedos accionables. Señales EMG se usan como las señales de control, estas controlan la prótesis en general. Estas señales miden desde el antebrazo, cuando el operador contrae el músculo para controlar el movimiento en los dedos. [10] [12]
Fig. 8 Tipos de agarre de mano [12]
2.2.3 Prótesis de Mano creada con una impresora 3D
Son prótesis eléctricas controladas por medio de un poder externo mioeléctrico, al ser creadas a través de una impresora 3D el aspecto tiende a ser muy parecido a lo de una mano humana real. Su sistema operativo está basado en un sensor de distancia el cual proporciona un funcionamiento equivalente al sistema de control mioeléctrico. La prótesis contiene una caja de control en donde se halla el sistema operativo con el sensor de distancia. La apertura y cierre de los dedos se controlan a través de cambios de distancia entre el sensor y la superficie de la piel causada por la contracción del músculo. El sistema operativo el cual controla los dedos se realiza a través de un micro procesador (Arduino Pro Mini) [11]
.
Fig. 9 Modelo de Prótesis 3D [11]
2.2.4 Design and Postural Synergy Synthesis of a Prosthetic Hand for a Manipulation Task
Este tipo de prótesis se basa en el uso de pocas entradas de sinergia, normalmente dos, las cuales se puede utilizar para controlar docenas de motores que llevaran a cabo diversas tareas de agarre en una mano robótica. Este tipo de prótesis logra movimientos delicados utilizando dos sinergias. Con el fin de reproducir mejor los movimientos de una mano real. Dos entradas de sinergia se combinan, escalado, estas se asignan a 15 salidas del motor en el controlador para conducir la mano protésica. Estos motores son conectados a las salidas de las articulaciones de los dedos. La rotación de ejes flexibles impulsará todas las articulaciones de los dedos. [14]
Fig. 10 Prototipo de Prótesis Planteada movimiento de prueba. [14]
2.2.5 Diseño digital de bajo costo de 3 DOF protésica Mano
Esta prótesis tiene 3 tipos de movimientos: apertura de dedos, cierre, balanceo de la muñeca y rotación. El implante tiene un fácil y práctico manejo por la utilización de engranajes para lograr el movimiento en las manos proteicas.
Dos pares de engranajes se utilizan para controlar los dedos de apertura y cierre. Por medio de un motor se controla la rotación de la muñeca. El tamaño de los dedos y muñeca fueron diseñados según el tamaño promedio de los seres humano. Está compuesto por dos interruptores de límite de posición para cada DOF los cuales controlan el rango de movimiento. [13]
La relación de transmisión del engranaje de los dedos de apertura y cierre se dispuso a 100, así como la de movimiento de balanceo. La velocidad angular de los dedos es 60-80rpm. [13]
Fig. 11 Diseño Digital de Prototipo de Prótesis de Mano [13]
2.2.6 Método de diseño novedoso de manos prostéticas antropomórficas.
En esta prótesis se agrupan los dedos y son activados por un motor a través de una transmisión. Es un mecanismo basado en la independencia entre los dedos, permitiendo lograr varias funciones de agarre por medio de la estructura de palma compacta. Otro método que utiliza es la sinergia hardware o sinergia de adaptación basada en el concepto de sinergia biomecánica, es decir, que un número mínimo de elementos linealmente independientes con operaciones específicas pueden generar el movimiento conjunto de diferentes tipos de agarre. [16]
Fig. 12 Etapas de Movimiento de Prótesis. [16]
2.2.7 Diseño de una prótesis mioleléctrica
Este tipo de prótesis mioeléctrica utiliza señales electrónicas que van desde el sistema nervioso del humano con el fin de controlar este miembro artificial. La mioeléctrica es la utilización de las señales de electromiografía, en donde los impulsos recibidos por los músculos servirán para controlar el funcionamiento de este dispositivo motorizado.
Esta prótesis tiene la función de replicar el control de un motor fino con el fin de volver funcionalidad en gran medida. Se crea una fuerza que actuará en el FSR. El FSR es un mecanismo de retroalimentación para determinar si es un agarre seguro.
Los motores de la palma de la mano se utilizan para enrollar un cable y accionar el rizo dedo. [15]
Fig. 13 Prototipo de Prótesis prueba de movimientos. [15]
2.2.8 Diseño de prótesis con accionamiento a distancia
Un motor controla la mano, estos motores estarán ubicados en una
operativa mochila. Para el movimiento de agarres de la mano, el motor utiliza
un sensor de resistencia variable. Este sensor da información al controlador
del torque, la tensión de entrada del motor recorrerá a través
de la resistencia variable controlando la velocidad y deteniendo la señal
basada en la constante del resorte. Esta señal de la resistencia proporciona
la fuerza de entrada que genera más fuerza para crear el movimiento de
agarre en los dedos. El sensor está construido por una resistencia variable
de la polea del motor y el centro de buceo. Como se almacena energía
en el muelle permite que la polea del motor girar el cubo de unidad y cambie
la resistencia variable. Esto proporciona retroalimentación al controlador
de motor en la fuerza de agarre. [18]
Fig. 14 Prototipo de .Accionamiento a distancia.
[18]
2.2.9 Prótesis con un enfoque mecatrónico
Estas manos protésicas son controladas a través de mioeléctricos, que son señales electromiografías (EMG) generadas por el usuario para controlar los movimientos de apertura y cierre de los dedos. Tiene señales de control que transmiten lo deseado por el usuario, por lo que las tareas de agarre pueden ser controladas. Sensores exteroceptivos son capaces de intercambiar señales sensorio-motor la parte aceptada del cuerpo y el sistema nervioso central. [19]
Fig. 15 Prototipo de mano planteada. [19]
2.3 Prótesis de mano con interfaz cerebro- ordenador
Esta prótesis es un avance en la tecnología ya que utiliza una interfaz cerebro-ordenador (BCI), por medio de medidas electrofisiológicas del cerebro las cuales permitan la comunicación con el mundo exterior. Un electroencefalograma (EEG) con un motor sirven para controlar el movimiento de una prótesis de mano. La mano cuenta con sensores de fuerza y ángulo los cuales proporciona retroalimentación háptica. [20]
Fig. 16 Proceso de funcionamiento de prótesis contralada por el cerebro [20]
2.3.1 Materiales en implantes
Los materiales que son utilizados para la fabricación de implantes son conocidos como inteligentes debido a que son materiales que poseen características que les permiten transformar sus propiedades frente a un estímulo, estas características pueden ser: su viscosidad, su flexibilidad, el color entre otras. El control de las respuestas frente a dichos estímulos se los realiza mediante el diseño de mecanismos de control y selección. En la Tabla 1 se presentan algunos tipos de materiales inteligentes para el desarrollo de implantes de las extremidades superiores. [5]
Tabla 1. Tipos de materiales Inteligentes [5]
Conclusiones
Español
Con el pasar de los años las técnicas se han perfeccionado para brindar mayor comodidad, seguridad y una mayor estética en lo que hace referencia a las elaboración de prótesis, es así que podemos ver que hemos pasado de prótesis que necesitan una gran parte del cuerpo para ser sujetas y acopladas a prótesis que solamente necesitan la adaptación al miembro amputado, pero un punto importante a destacar es como las técnicas de funcionamiento para generar el movimiento en la ortopedia han ido en un progreso avance ya que se ha pasado de funcionamientos rústicos a funcionamientos muy precisos por medio de la información que se ha ido generando en el transcurso del tiempo. Cabe recalcar que para cada persona la prótesis variaría ya que la misma depende del nivel de dificultad que presente, es así que en la actualidad existe una gran variedad de implantes para satisfacer las diferentes necesidades de las personas.
Al analizar los distintos mecanismos de movimientos de las prótesis podemos concluir que para un fácil control de movimientos suaves el mejor método utilizado será de engranajes esto logrará que la mano se vea más real o muy parecida a la de los seres humanos.
La mayoría de prótesis analizadas cuentan con cuerdas finas o cables que están dentro de los dedos, las cuales son accionadas por medio de motores esto permite movilidad, siendo este el método más utilizado a pesar de que el funcionamiento restante de la mano cambie.
Ingles
Over the years the techniques have been refined to provide greater comfort, safety and improved aesthetics in what refers to the development of prosthesis, so that we can see past that need a prosthesis body to and coupled to be subject only need prosthesis adaptation amputated limb, but an important point to note is functioning as techniques to generate movement in orthopedics have been in progress since progress has rustic past performances to performances through very precise information has been generated in the course of time. It should be noted that for each person the prosthesis vary since it depends on the level of difficulty present, so there is a wide variety of implants today to meet the different needs of people.
In analyzing the various mechanisms of movement of prostheses we can conclude that for easy control of gentle movements will be the best method to achieve this gear hand look more real or very similar to humans.
Most prostheses have analyzed thin cords or cables that are within the fingers, which are powered by engines that allows mobility, which is the method most widely used despite the remaining hand function change.
Referencias
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Biografía
Paola Catalina Abad Merchán: Nació 3 de septiembre de 1995 en Cuenca; Escuela Francisca Dávila, Secundaria en el Colegio santa marianita de Jesús y bilingüe interamericano comenzó sus estudios en la Universidad Politécnica Salesiana, siguiendo la carrera del Ingeniería electrónica, actualmente se encuentra cursando quinto ciclo.
Manuel Alejandro Tapia Vintimilla: Nació el primero de noviembre de 1995 en Cuenca, inicio sus estudios en la Escuela San Juan de Jerusalén, realizó la Secundaria en el Colegio Técnico Salesiano obteniendo el titulo bachiller Técnico en la especialización en máquinas y equipos eléctricos, comenzó sus estudios en la Universidad Politécnica Salesiana, siguiendo la carrera del Ingeniería electrónica, actualmente se encuentra cursando quinto ciclo.
Autor:
Alejandro Tapia,
Paola Abad
Universidad Politécnica SalesianaCuenca-Ecuador