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

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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
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[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
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Dynamics of Human Gait, Kiboho Publishers, (1992).

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Dynamics of Human Gait, Kiboho Publishers, (1992).

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