INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA DISEÑO MECÁNICO DE UNA ÓRTESIS DE MIEMBRO INFERIOR CON UN GRADO DE LIBERTAD INFORME TÉCNICO DE LA OPCIÓN CURRICULAR EN LA MODALIDAD: “PROYECTO DE INVESTIGACIÓN” PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO BIOMÉDICO PRESENTA: GONZÁLEZ LARA NEFTALI DIRECTOR INTERNO: DR. JORGE ISAAC CHAIREZ ORIA (UPIBI) DIRECTOR EXTERNO: M en C. ALEJANDRO GARCÍA GONZÁLEZ (CINVESTAV-DCA) MÉXICO D.F. JUNIO 2009
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA
DISEÑO MECÁNICO DE UNA ÓRTESIS DE MIEMBRO INFERIOR CON UN GRADO DE LIBERTAD
INFORME TÉCNICO DE LA OPCIÓN CURRICULAR EN LA MODALIDAD:
“PROYECTO DE INVESTIGACIÓN”
PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO BIOMÉDICO
PRESENTA:
GONZÁLEZ LARA NEFTALI
DIRECTOR INTERNO: DR. JORGE ISAAC CHAIREZ ORIA (UPIBI)
DIRECTOR EXTERNO: M en C. ALEJANDRO GARCÍA GONZÁLEZ (CINVESTAV-DCA)
MÉXICO D.F. JUNIO 2009
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Tabla de contenido 1 Resumen ........................................................................................................................................... 3
5.3 Diseño de la Órtesis ................................................................................................................. 15
5.4 Diseño de una plataforma de simulación de la marcha .......................................................... 17
5.5 Evaluación de la función de los diseños .................................................................................. 20
6. Material ......................................................................................................................................... 20
Palabras clave: Órtesis, miembro inferior, Marcha, goniómetro, plataforma
Introducción. Existen diferentes patologías capaces de generar algún tipo de discapacidad motriz, en un amplio número de casos, éstas pueden ser tratadas por medio de dispositivos ortopédicos, cuya finalidad es la de rehabilitar al usuario o apoyarlo para realizar sus labores diarias. Uno de los problemas más frecuentes, es la debilidad muscular la cual puede llegarse a presentar en alguna etapa de la vida. Significado un problema serio, debido a que ésta evita que se conserve la postura al caminar o mantener una posición erecta, razón por la cual las Órtesis de bloqueo de la rodilla resultan ser de gran ayuda. Metodología. Etapa 1. Instrumentación: Se diseña el circuito eléctrico de goniómetro en base a u transductor resistivo, previamente caracterizado cuya relación voltaje/[ángulo del instrumento completo satisface una relación lineal. Etapa 2. Diseño de la órtesis: Se propone el diseño de un seguro de bloqueo mecánico, para la articulación de la rodilla, una vez realizado se procede a la etapa de manufactura. Se toman las medidas del miembro inferior del sujeto de prueba al cual se le colocara la órtesis. Una vez realizado esto se procede a la etapa de ensamble del dispositivo. Etapa 3: Se realiza el diseño y construcción de una plataforma para la simulación del proceso de marcha, en base a un estudio cuantitativo basado en imagen, modelándose las trayectorias que siguen las articulaciones del miembro inferior mediante ajustes poligonales. Una vez obtenidas las trayectorias se propondrá un sistema tipo 4 barras para emular el proceso de marcha se manufacturara, todas son las de la plataforma son ensambladas y puestas a prueba.. Resultados y discusión. La Fig. 1. Muestra el circuito del electrogoniómetros en base al transductor resistivo (Flexsensor TM).
Fig. 1 diagrama eléctrico del goniómetro
Las siguientes ecuaciones corresponden a la relación
Voltaje/Angulo:
96.41*11.732
33.37*40.501
voAngulo
VoAngulo
Este dispositivo permitirá el monitoreo del ángulo de la rodilla permitiendo utilizar esta información en la supervisión del funcionamiento de la órtesis.en las etapas de la marcha
efectuadas. Órtesis: se realizó el diseño y construcción del seguro (Fig.2a) cuyo montaje en la órtesis se muestra en la figura 2b..
Fig. 2a. Diseño del seguro de la Órtesis, 2b Órtesis manufacturada incluyendo el seguro.
Plataforma: Su diseño se basa en las trayectorias calculadas de la rodilla, el tobillo y la cadera como se muestra en la Fig 3, donde además se presenta el prototipo preliminar.
Fig. 3 Plataforma y trayectoria de marcha
Conclusiones y perspectivas. Se logró el diseño y construcción del seguro. y la órtesis, junto con el goniómetro. Un prototipo preliminar de la plataforma fue construido y puesto a prueba. Ajustes en los dispositivos son necesarios para su prueba final con el paciente. Agradecimientos. Agradezco a mis padres, Profesores y colaboradores por el apoyo brindado sobre esta etapa de mi vida. Referencias.1.- Banala S.K., Kulpe A. y Agrawal S. K. . (2007), “A Powered Leg Orthosis for Gait Rehabilitation of Motor-Impaired Patients”,In proceedings: IEEE International Conference on Robotics and Automation. 4140- 4145. 2.-Webster J.G., Encyclopedia of medical Devices and Instrumentation, Second Edition.
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2 Introducción
La debilidad muscular profunda así como la deficiencia en el control muscular son
factores que afectan a un amplio número de la población por causas tan diversas como
son el daño neurológico y la parálisis parcial debida a traumatismos o eventos cerebro
vasculares [1]. Lo que limita la capacidad de locomoción autónoma de la persona, es en
este sentido que el desarrollo e implementación de órtesis contribuye al mejoramiento de
las condiciones del paciente otorgándolo cierto grado de autonomía [2]. Sin embargo y
como veremos más adelante el diseño y construcción de una órtesis debe de
fundamentarse en el conocimiento biomecánico del miembro en el que se desea su
implementación, lo que implica el desarrollo de modelos que describan de forma dinámica
su movimiento [4], [5], así como el efecto que tiene dicho diseño sobre el cuerpo humano.
En esta introducción se presentan algunos conceptos referentes a la descripción
biomecánica del miembro inferior, su modelo anatómico, descripción durante el proceso
de marcha y la interacción del mismo con una órtesis.
2.1 El miembro inferior
Durante el proceso de marcha normal intervienen tres articulaciones sin las cuales no
sería posible caminar o desplazarse de una forma adecuada, ya que cada una de ellas le
permite al miembro inferior realizar un gran número de posiciones anatómicas en los
diversos planos del espacio.
La primera articulación del miembro inferior es la cadera la cual puede realizar ligeros
movimientos en las tres dimensiones (Fig. 2.1.1), en cada uno de los ejes puede realizar
un desplazamiento angular de 15º. Con lo cual se consigue un ligero contoneo reduciendo
la elevación del centro de gravedad durante la marcha [6].
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Fig. 2.1.1 plano en los que se
desplaza la cadera
La rodilla es la articulación intermedia del miembro inferior, principalmente es una
articulación de un solo grado de libertad, con el cual se logran realizar los movimientos de
flexión y la extensión. Esto implica que la rodilla sea la articulación que regula la distancia
del cuerpo con respecto al suelo, en realidad un segundo grado de libertad de ésta le
permite una ligera rotación sobre su eje en su punto máximo de flexión. (Fig. 2.1.2.) [6].
Fig.2.1.2 Movilidad de la rodilla
Desde el punto mecánico, la rodilla es una articulación sorprendente, debido a que en
flexión debe adquirir una gran movilidad para realizar los procesos de marcha mientras
que en extensión debe tener gran estabilidad para soportar los esfuerzos generados por
la posición recta del cuerpo [6].
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Por último tenemos la articulación del tobillo, la cual le permite a la persona caminar,
correr, brincar, saltar y cambiar el peso del cuerpo que se distribuye alrededor del talón. El
tobillo igualmente estabiliza el cuerpo a medida que éste se desplaza a través de un
terreno desigual. Adicionalmente es la articulación que tiene que disipar alrededor de un
80% de la energía generada durante el proceso de marcha. (Fig. 2.1.3) [6].
Fig.2.1.3 El talón es una articulación de un
solo grado de libertad
2.2 Marcha
El proceso de marcha se compone de partes principales, este a su vez se puede evaluar
por el tipo de zancada o paso que se realiza [16].
En este proceso se controla la elevación del centro de gravedad gracias a las
articulaciones de la cadera, de la rodilla y el tobillo. También debe mencionarse que este
proceso puede representarse por medio de sistemas de cadenas abiertas y cerradas
alternantes. En los cuales cada eslavo también se puede localizar el centro de gravedad
haciendo un estudio más riguroso.
En general podemos considerar que la marcha está compuesta por 4 fases (Fig. 2.2.1).
La primera etapa es de reposo en donde se tiene ambas piernas tocado el piso.
La segunda etapa es una etapa de balanceo de alguna de las piernas, mientras la
otra se conserva tocando el suelo.
La tercera etapa es una etapa conocida como “de doble soporte” en la cual los dos
pies vuelven a tener contacto sobre la base, esto prepara la cuarta etapa en
donde, se realiza el cambio de pierna que realiza la fase de balanceo, mientras
que la que se balanceó regresa a la posición fija.
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Fig. 2.2.1. ciclo de la marcha
2.3 Órtesis
Una órtesis es cualquier dispositivo aplicado externamente sobre el cuerpo humano, que
se utiliza para modificar las características estructurales o funcionales del sistema
neuromusculo-esquelético. Se utiliza con la intención de mantener, mejorar o restaurar la
función [3].
Por mucho tiempo estas fueron elaboradas con materiales de cuero y diversos metales,
en la actualidad se emplean los plásticos, los cuales al generar diversos factores de
rigidez o elasticidad, y su gran facilidad de moldearse esto, permite crear órtesis capaces
de tomar forma del cuerpo, por lo cual se adapta mejor, lo que genera resultados más
favorables [3].
Dentro de los pacientes que sufren problemas con la marcha, uno de los principales
factores es el consumo de energía, y las fuerzas generadas sobre las articulaciones
tienden a ser mayor, por lo cual es necesario, que la órtesis tenga el menor peso posible.
Existen diversas causas por la cual un paciente requiere una órtesis:
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Causas
Las Principales funciones de una órtesis son:
Descarga o disipación de la energía generado durante una actividad especifica
Fijación
Estabilización
Funciones dinámica de Postura
Corrección
2.4 Antecedentes de órtesis pasivas y activas
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 del uso de plásticos, especialmente para las órtesis de tobillo-pie.
Además, un número de diseños han evolucionado a una combinación de metal y
materiales plásticos.
Los componentes metálicos normalmente son de aluminio, ya que es importante el peso,
pero pueden ser de acero inoxidable, si lo más importante es la duración. Los plásticos
nos dan variedad de posibilidades en resistencia, rigidez, peso y apariencia. Mientras se
hacen un número limitado de órtesis de laminado de plástico termoestable, la mayoría son
de materiales termoplásticos, tales como el polipropileno y varios derivados del polietileno.
Comparadas con las de metal, las órtesis de plástico son, generalmente, más cosméticas,
más ligeras y ofrecen mayor elección en las opciones de diseño, dependiendo de las
Congénitas: parálisis cerebral, espina bífida, malformación de
huesos largos, hemofilia y osteogénesis imperfecta.
Accidentes: Fracturas, lesiones de la columna vertebral, daño
cerebral, desgarres musculares de tendón y cartílago.