Diseño de una prótesis transtibial amortiguada

Diseño de una Prótesis Transtibial Amortiguada

Ing. José Antonio García Merino

Instituto Politécnico Nacional, Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica,  Unidad Profesional “Adolfo López Mateos”, Zacatenco, Del. Gustavo A. Madero

Resumen-- El presente trabajo expone el diseño de una prótesis transtibial con amortiguación dinámica para un hombre de 90 kilogramos y 1.76 metros de altura, mediante los parámetros de anatomía y biomecánica del sistema del pie-pierna que obtuvieron Dempster y Clauser. Los materiales utilizados fueron fibra de carbono, acero 316, aluminio y plástico ABS; y para el líquido del amortiguador magnetoreológico se utilizó limadura de hierro al 40% y aceite de transmisión automática al 60%. Para la obtención de la constante de amortiguamiento se utilizó un prototipo del amortiguador, y el líquido magnetoreológico se sometió a crecientes cambios de campo magnético: la constante de amortiguamiento mínima del líquido fue de 212 Ns/m y la máxima de 872 Ns/m, este rango de valores producen una respuesta estable del sistema resorte-masa-amortiguador. Los costos de la prótesis son de $14,500.

Palabras Clave— Magnetoreológico, Biomecánica, Transtibial.

Abstract— The present work expose the design of a transtibial prosthesis with dynamic damping for a man of 90 kilograms and 1.76 meters of height, through the parameters of anatomy and biomechanics of the foot-leg system obtains by Dempster and Clauser. The materials used were carbon fiber, steel 316, Alloy and ABS plastic; and for the Magnetorheological Damper was used filing of iron at 40% and automatic oil transmission at 60%. To obtain the damping constant were used a prototype and the Magnetorheological fluid were subjected to increase changes of magnetic field: the damping constant was between 212 Ns/m and 872 Ns/m, with this range of values the response of the system spring-mass-damper is always stable. The cost of the prosthesis is $14,500.

Keywords— Magnetorheological, Biomechanics, Transtibial.

INTRODUCCIÓN

L

a prótesis transtibial es un aparato externo usado para reemplazar totalmente el pie y total o parcialmente la pierna. En la actualidad existen muchas empresas que generan este tipo de prótesis, pero al ser una línea de diseños adaptables únicamente por la altura de la amputación del paciente, no reproducen las necesidades biomecánicas del paciente: reubicación del centro de masa y recuperación del peso perdió, o amortiguación dinámica. Al contrario de restablecer estas condiciones las empresas fabrican sus prótesis lo más liviano posible y por ser una pieza de gran utilidad entre los amputados los precios son muy elevados, problema que la mayoría de la población mexicana no puede resolver.

La importancia de recrear la dinámica de la parte baja de la pierna es porque tiene una gran responsabilidad en el amortiguamiento del cuerpo cuando  está en su ciclo de marcha normal, corre o brinca. Esta propiedad se logra en gran parte a la dinámica del pie, que si bien los ligamentos y músculos de la tibia, peroné y astrágalo son fundamentales, el pie siempre se posiciona para absorber y propulsar las marchas. Con un arreglo masa-resorte-amortiguador se logrará imitar el caminado. Donde el amortiguador será variable utilizando el principio de los fluidos magnetoreológicos.

El actual trabajo consta de dos propósitos importantes:

• Dar a conocer la metodología de cómo se diseña una prótesis transtibial en especifico (un hombre de 90 Kilogramos y 1.76 metros de altura), pero con la finalidad de exportar la teoría a cualquier paciente con este tipo de amputación.
• Reducción de costos por medio de materiales baratos.

METODOLOGÍA

Identificación el problema

Una amputación se presenta por varias causas, entres otras, están las guerras, el terrorismo, accidentes automovilísticos, consecuencias de un secuestro, congelación, descarga eléctrica, gangrena  producida por arteriosclerosis [1], tumores, infecciones, lesiones agudas cuando el aporte de sangre está destruido, o cualquier fractura que no sea tratada a tiempo o de la mejor manera.

Por otro lado hay estadísticas que sustentan estos accidentes: Según el Instituto Mexicano del Seguro Social (IMSS) [2], 70% de las amputaciones no traumáticas de pie son consecuencia de complicaciones infecciosas por diabetes mellitus. Las cuales son originadas por falta de control médico, ya que es crónico-degenerativa. Un 5% de amputaciones son derivadas de accidentes automovilísticos, de trabajo o quemaduras de tercer grado. Mientras que la Secretaría de Salud y Asistencia (SSA), informa que en 2007 se amputaron 75 mil piernas en México [2].

Hay muchas personas con amputación en México pero también hay muchos fabricantes de prótesis, el problema radica en que no se tiene trato directo con el cliente y los mecanismos son iguales para todos, en algunas ocasiones varía el tamaño del pie y el socket lo hacen personalizado, pero no se resuelve los requerimientos biomecánicos.

Análisis y obtención de parámetros de la biomecánica del pie y la pierna

Los siguientes resultados se obtuvieron de un muestreo promedio ya establecido en tablas o estudiado.

Niveles de amputación

La longitud ideal para amputaciones por debajo de la rodilla es de 12 cm y nunca mayor de 15cm [3].

Grados de libertad

La articulación del tobillo se conforma de la tróclea astragalina y por la mortaja tibioperonea. Consta de un solo grado de libertad y es indispensable para la marcha [4].

Con ayuda de la rotación axial de la rodilla, adquiere las mismas funciones  que una articulación de tres grados de libertad; para adaptar la planta del pie a cualquier terreno.

Movimientos de la articulación del tobillo

Los principales movimientos de la articulación son la dorsiflexión y flexión plantar del pie, los cuales ocurren sobre un eje transversal pasando a través del astrágalo.

• La dorsiflexión del tobillo se produce por acción de los músculos de comportamiento anterior de la pierna. Y se define como el movimiento que aproxima el dorso del pie a la cara anterior de la pierna. Se forma un ángulo de 30°
• La flexión plantar del tobillo se produce por acción de los músculos en el compartimiento posterior de la pierna. Éste se aleja del dorso del pie de la cara anterior de la pierna mientras que el pie tiende a situarse en la prolongación de la pierna. Se forma un ángulo de 50° [2]

Contracción de la articulación del tobillo

Mediante una cámara y un programa de computo se determinó la máxima contracción que sufre la articulación del tobillo al realizar un salto: cuando la persona está suspendida en el aire la articulación se mantiene relajada y presenta su longitud máxima, y al hacer contacto con el suelo los ligamentos y músculos se contraen para dar como resultado 4cm de compresión. Misma distancia que se deberá de contraer el amortiguador sometido a una carga máxima de 2KN. De aquí se determina que la articulación no se contrae de la misma manera a cada paso, es decir que varía la amortiguación con respecto a la fuerza de entrada.

Longitud del pie y la pierna

Las longitudes por eslabones según Dempster para el pie y la pierna son 8.1cm y 40.8cm respectivamente [5].

Peso de la pierna y pie

El peso promedio del pie en cualquier humano según Dempster (1955) y Clauser (1969) es del 1.4% del total de la masa, para este caso el pie se considera de 0.9Kg.

El peso promedio de la pierna en cualquier humano según Dempster (1955) y Clauser (1969) es del 4.5% del total de la masa, para este caso la pierna se considera de 3Kg [5].

Ubicación del centro de masa

Como este punto representa el centro de masa total de alguna articulación, éste se moverá al aplicar o inhibir peso de la parte del cuerpo analizada. Este concepto es muy importante, ya que al diseñar una prótesis siempre se debe de tener en cuenta el ubicar este punto en el lugar donde la persona solía tener el miembro [6]. El centro de masa tanto del pie como la pierna se tomarán respecto al eje sagital:

• El centro de masa del pie se encuentra a 57.1% de la altura del mismo (medido de la planta del pie hacia el tobillo)
• El centro de masa de la pierna se encuentra a 56.7% de la altura de la misma (medida del tobillo hacia la rodilla) [5]

Con los datos de longitud, peso y ubicación de centro de masa del miembro inferior, se calculará el centro de masa entre dos sistemas, en este caso el pie y la pierna, y esta cantidad la tendrá que respetar la prótesis a diseñar.

[pic 4]

[pic 5] Es el centro de masa del miembro inferior

[pic 6] Es la masa de la pierna

[pic 7] Es la masa del pie

[pic 8] Es la longitud de la pierna medida en el eje sagital (perpendicular al suelo)

[pic 9] Es la longitud del pie medida en el eje sagital

De esta relación y con los datos antes obtenidos se tiene que el centro de masa total del miembro inferior es de 25.1cm sobre el eje sagital.

Diseño de la prótesis

Las partes de la prótesis se diseñaron en diferentes materiales por su necesidad dentro de la misma. En la tabla

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