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Prótesis Humanas Bioingeniería

Enviado por Patricio Parra



  1. Resumen
  • 2. Introducción

  • 3. Desarrollo

  • 4. Tipos de prótesis

  • 5. Diseño y simulación

  • 6. Conclusiones

  • 7. Referencias

  • Resumen

    El presente documento trata cerca del desarrollo de la tecnología aplicada a la parte física y funcional del cuerpo humano centrándose en las prótesis para personas con algún tipo de discapacidad o perdida de estas importantes partes. Tomando en cuenta las diferentes especificaciones, se desarrolla una prótesis que permite recuperar la movilidad, optimizar e incluso mejorar el desempeño físico, siendo esto de vital importancia para el desplazamiento de las personas.

    Palabras clave— Bioingeniería, prótesis, biomecánica.

    Introducción

    La bioingeniería es una ciencia que posee varias disciplinas

    una de ellas es la biomecánica, que utiliza los principios de la mecánica para a resolver problemas biológicos del ser humano, motivo por el cual en el siguiente documento se realiza un estudio del arte enfatizándose principalmente en el desarrollo y elaboración de prótesis. Notando claramente que el invento de este tipo de aparatos ha permitido al ser humano reincorporarse y recuperar su modo de vida normal. [1][2]

    Una prótesis es un mecanismo que puede reemplazar o mejorar alguna parte del cuerpo, que combina conocimientos tanto anatómicos, mecánicos y biológicos para obtener un resultado correctivo eficaz. Entonces al analizar la compleja estructura de cada parte del ser humano rápidamente se puede asumir que elaborar una prótesis será un proceso largo de análisis, pruebas y exámenes. [3][15]

    Desarrollo

    En el transcurso de este documento dentro del área de la biomecánica nos vamos a enfocar en el estudio de la parte motriz dirigida a la creación de una prótesis.

    Bioingeniería

    "La bioingeniería es una de las disciplinas más jóvenes de la ingeniería en la que los principios y herramientas de la ingeniería, ciencia y tecnología se aplican a los problemas presentados por la biología y la medicina". [4]

    La bioingeniería es la interacción de la ingeniería con las demás ciencias biológicas es decir es aplicar los métodos y tecnología desarrollada por la ingeniería para vincularlas a las ciencias de la vida. [5][6]

    Biomecánica

    La biomecánica es la rama de al bioingeniería que estudia la relación que existe entre la mecánica y la biología. [7]

    Es aplicar los conocimientos de las diferentes disciplinas de la mecánica, apoyándose en las distintas ciencias médicas y biológicas, logrando como resultado una perfecta amalgama de ciencias para resolver problemas que se presentan diariamente en la vida de las personas [8]

    Que es una prótesis

    Es un aparato construido para sustituir una parte faltante del ser humano, esta debe estar construida en base a las especificaciones y necesidades del paciente de manera que mejore su calidad de vida. [3]

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    Fig. 1. Prótesis de brazo. [9]

    Evolución de las prótesis a lo largo de la historia

    El desarrollo de las prótesis ha ido evolucionando a medida del progreso tecnológico del ser humano, los egipcios fueron los pioneros en la elaboración de este tipo de aparatos, prueba de esto es un dedo artificial rústico encontrado en una momia egipcia

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    Fig. 2. Protesisrudimentarias de miembros inferiores [10]

    Luego alrededor del año 300 aC en Capúa se inventa la primera pierna artificial, tiempo después en 1696 Pieter Verduyn  desarrolló la primera pierna con una rudimentaria articulación

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    Fig. 3. Protesis de pierna con sin bloqueo en la articulacion de la rodilla[10]

    En 1912, un aviador ingles llamado Marcel Desoutter, perdió una pierna y entonces de esta necesidad inventa primera prótesis de aluminio. [10]

    En la actualidad el gran avance tecnológico ha permitido desarrollar nuevas y mejoradas prótesis utilizando dispositivos como los microcontroladores además de materiales ligeros que se adaptan a la estructura del ser humano. [10]

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    Fig. 4. Prótesis: prótesis de piernas que se recargan para amputado Ejército de los EE.UU. [11]

    Tipos de prótesis

    Prótesis cosméticas

    Son prótesis pasivas cuyo objetivo es brindar una apariencia estética agradable y confortable para el paciente, pero su funcionalidad no es muy relevante. [19]

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    Fig. 5. Prótesis cosmética de mano [21]

    Prótesis mecánicas o prótesis por cables

    En este tipo de prótesis es más importante la funcionalidad, para su funcionamiento utiliza un sistema de cables flexores y arneses acoplados al paciente que controlan los movimientos del cuerpo. [19][21]

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    Fig. 7. Prótesis mecánica de mano [21]

    Prótesis mioeléctricas:

    Este tipo de prótesis son la muestra del gran avance tecnológico actual, debido a que estas son controladas a través de impulsos musculares, utilizando la respectiva propiedad eléctrica de los músculos [19]

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    Fig. 6. Prótesis microeléctrica de mano [21]

    Materiales más utilizados

    • a) Titanium:

    El titanium es un material muy ligero, resistente al desgaste y corrosión, de gran dureza. Aplicando un procedimiento se obtiene una variación de 0.000001mm al comparar la deformación de este con el aluminio. Sin embargo, el titanium es un material muy costoso y poco accesible aunque el mejor para muchos de los casos por ser el que más fácilmente se puede adaptar a huesos por su propiedad bio-inerte. [12]

    La utilización del titanio se da ya que este al contacto con el oxígeno genera oxido de titanio que es un compuesto bio-inerte esto quiere decir que no presenta reacción de rechazo al contacto con el hueso o piel. [13]

    • b) Aluminio:

    Una de las presentaciones del aluminio idóneo para este tipo de aplicaciones es el aluminio laminado, "con una resistencia a la tensión, 115-154 (MPa) y un límite de elasticidad, 197.23 (MPa)". Sin embargo tiene una desventaja ya que este presenta muy baja resistencia a la corrosión es por esto que para zonas con mayor riesgo de corrosión es mejor utilizar acero. [12]

    • c) Polietileno:

    Este material presenta características como, resistencia al desgaste, estabilidad química, además de la biocompatibilidad, al utilizar este tipo de material se puede reducir el denominado efecto de osteólisis que se refiere al desgaste del hueso alrededor de una prótesis [14]

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    Fig. 8. protesis articulares de polietileno[14]

    Diseño y simulación

    La características principal para el diseño de una prótesis es su estructura anatómica es decir cuánto se asemeje a la parte original de las personas, motivo por el cual es muy importante conocer el funcionamiento mecánico de la prótesis , para esto contamos con herramientas como los simuladores que permiten imitar la estructura , los movimientos, la dinámica y mecánica de dicho elemento, tanto el diseño y luego la simulación son procesos que permiten afianzar el éxito al momento de la elaboración de una prótesis.

    [15]

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    Fig. 9. Simulador para medida de desgarte de protesis articulares[15]

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    Fig. 10. Simulación por elementos finitos del codo[15]

    Obtención de Variables.

    Es necesario conocer en cada momento la posición de cada parte que conforma la prótesis dentro de su dinámica del movimiento que esta genere por lo cual es necesario utilizar algún tipo de sensor como pueden ser encoders entre otros estos pueden ser utilizados para medir los ángulos de rotación de las partes en el caso de saber la posición del tobillo por ejemplo. [16][17]

    Diseño mecánico de la prótesis

    "Para una persona amputada las actuales prótesis son un lastre que les impide andar con normalidad y les obliga a realizar más esfuerzo del estrictamente necesario. En la Universidad de Michigan, en Estados Unidos, han ideado un sistema que les permitiría aprovechar la energía generada en el movimiento normal del pie para moverse con más facilidad". [18]

    Naturalmente el movimiento del pie y de otras muchas partes del cuerpo son ineficientes y no aprovechan toda la energía.

    Cuando una persona utiliza una prótesis para lograr el movimiento de esta generalmente emplea mucha más energía de lo que normalmente podría utilizar. Gracias a esta prótesis, la energía malgastada en el movimiento del tobillo se transforma en energía que ayuda al siguiente movimiento para la prótesis de pie. [18]

    "Según las mediciones llevadas a cabo por lo investigadores Art Kuo y Steve Collins, con la nueva prótesis se reducía el gasto energético añadido de un 23 por ciento a un 14 por ciento." [18]

    Muchas otras prótesis utilizan medios energéticos químicos como las baterías para generar una ayuda a la persona y así lograr facilitar el movimiento, pero, con este tipo de prótesis no es necesario ya que utilizan principios físicos como energía potencial para así aprovechar al máximo el movimiento sin requerir de una batería. [18]

    Esta forma de almacenar energía no solamente puede ser utilizada para crear prótesis de pie, esta se puede extender a cualquier tipo de prótesis para el ser humano en donde el movimiento este presente y sea necesario ahorrar energía, también es posible aplicar esta idea al campo de la robótica haciendo que las diferentes formas de movimiento en un mecanismo robótico gaste menos energía por lo cual las baterías sufrirían mayor desempeño para otras funciones. [18]

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    Fig. 11. Prótesis de pie [18]

    Conclusiones

    Luego de realizar la investigación se pudo observar que la ingeniería es una fusión de conocimientos de la rama de la ingeniera y la biología, de esta combinación nacen otras ciencias como la biomecánica encargada del estudio de la aplicación de la mecánica enfocada a la biología del cuerpo humano.

    Una de las aplicaciones de la biomecánica es la elaboración de prótesis, estos aparatos pueden reemplazar una parte de la persona, la construcción de las mismas se basaran en las necesidades de cada paciente, así por ejemplo tenemos prótesis cosméticas, mecánicas o mioelectrónicas. En este proceso colaboran médicos, científicos, ingenieros, para cumplir una sola meta, la reintegración de la persona a la sociedad.

    Además se vio que las prótesis se han ido desarrollando a lo largo del tiempo y que la actualidad existe un gran avance en este campo, puesto que se asemejan cada vez más a la parte original del cuerpo humano, tanto en su parte física como en su funcionalidad.

    Referencias

    Bibliografía:

    [1] M E Sánchez. Biomecánica deportiva. Biomecánica (2005).

    [2] J B Osorno. La bioingeniería, técnica interdisciplinaria. Medicina UPB 13, 161 - 168 (1994).

    [3] Próstesis (2014), Enycplopedia Británica Online [en línea].Disponible en http://www.britannica.com/EBchecked/topic/479532/prosthesis [consultado el: 12 enero, 2014]

    [4]Jonathan, Lara. "Bioingeniería". Disponible en: http://jolg27.files.wordpress.com/2009/11/tecuacionesdif.pdf . [Consultado el: 10 enero, 2014]

    [5] Rossi Sebastián, Que es la Bioingeniería [En línea], OjoCientifico.com,[fecha de consulta: 16 de junio del 2013]. Disponible en: http://www.ojocientifico.com/2011/04/24/que-es-la-bioingenieria. [Consultado el: 12 enero, 2014]

    [6]Escobar Juan, Bioingeniería [En línea], Universidad El Bosque. Disponible en: http://www.uelbosque.edu.co/programas_academicos/pregrado/bioingenieria. [Consultado el: 12 enero, 2014]

    [7] I O Pantoja, R H Donado. Bioingeniería Solución a problemas de las ciencias biológicas y médicas apoyados en la Ingeniería. Revista Científica Ingeniería y Desarrollo 105 - 111 (2011).

    [8] Alvares Sánchez, Henry (2003).Modelado y optimización de una placa (implante) para sujeción de injerto en la columna vertebral por el método de los elementos finitos. Tesis de maestría en ingeniería mecánica, Pontificia Universidad Católica del Perú, Lima., Disponible en http://tesis.pucp.edu.pe/repositorio/bitstream/handle/123456789/85/ALVAREZ_HELARD_MODELADO_PLACA_COLUMNA.pdf?sequence=1 [consultado el: 10 enero 2014 ]

    [9] Advances in Battlefield Medicine: (2014). Enycplopedia Britannica Online [en linea]. Disponible en http://www.britannica.com/EBchecked/topic/1517340/Advances-in-Battlefield-Medicine. [Consultado el: 15 enero, 2014]

    [10] [40] Kim M. NortonA Brief History of Prosthetics, [En línea],

    Noviembre 2007, vol.176, no. 7 [Consulta: 5 enero 2014]. Disponible en: http://www.amputeecoalition.org/inmotion/nov_dec_07/history_prosthetics.html. [Consultado el : 15 enero, 2014]

    [11] orthopedics (2014).Britannica Online [en línea]. Disponible en http://www.britannica.com/EBchecked/topic/433529/orthopedics [consultado el: 15 enero, 2014]

    [12] C. Acabes, El Aluminio_Directora de comunicación de Alcoa en España, p. 14, 1999

    [13] ieee spectrum inside technology,"Building a better leg the technology of 21st-century prosthetics"

    [14] J A Puértolas, R Ríos, others. La mejora de los materiales de las prótesis articulares. (2011).

    [15] Biomateriales: Aplicaciones de la Ciencia de Materiales a la Medicina (Noviembre, 2007).[base de datos]. Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón. Disponible en

    http://hdl.handle.net/10261/48178 [Consultado el: 15 enero, 2014]

    [16] 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 Mecánica, Ciudad Real, 2010.

    [17] C. Vaughan, B. Davis, J. O"Connor, Dynamics of Human Gait, Kiboho Publishers, (1992).

    [18]Javier Flores disponible en: http://www.muyinteresante.es/innovacion/medicina/articulo/el-pie-ortopedico-que-aprovecha-la-energia-de-cada-paso [consultado el: 16 enero, 2014]

    [19] Sullcahuaman Jauregui, Boris. Diseño mecánico de un prototipo de prótesis mioeléctrica transradial .Tesis para optar el Título de Ingeniero Mecánico, Pontificia Universidad católica del Perú, Lima., Disponible en http://tesis.pucp.edu.pe/repositorio/bitstream/handle/123456789/4945/SULLCAHUAMAN_BORIS_DISE%C3%91O_MECANICO_PROTOTIPO%20PROTESIS_MIOELECTRICA_TRANSRADIAL.pdf?sequence=1 . [ consultado el : 15 enero, 2014]

    [20] Trujillo, Jorge. Gonzales, Elisabeth, S. (2010). "Las prótesis mecánicas" [en línea], Universidad del valle de Mexico. Disponible en: http://www.tlalpan.uvmnet.edu/oiid/download/Protesis%20mecanicas_04_ING_IMI_PIT_E.pdf. [Consultado el: 15 enero, 2014]

    [21] Arce, Carlos. Prótesis de Miembros Superiores [en linea]. Lima (Enero 2005). Disponible en: http://www.arcesw.com/pms3.htm [consulta 15 enero. 2014]

     

    Enviado por:

    Monografias.com

    Patricio Josue Parra Abad

    (A"1994, M"3, D"27) Nació en la ciudad de Cuenca en la provincia del Azuay en Ecuador, el 27 de Marzo de 1994. Estudia en la Universidad Politécnica Salesiana la carrera de Ingeniería Electrónica.

    Ingeniería Electrónica, Universidad Politécnica Salesiana

    Cuenca, Ecuador


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