Bioingeniería – Prótesis biónicas para manos

Resumen

El diseño y la implementación de
prótesis biomecánicas, permiten que las personas
que tienen alguna discapacidad física causada por
algún accidente o alguna deformidad genética,
puedan llevar una vida casi normal gracias a estos elementos,
donde están presentes varios campos como la
electrónica, la medicina, biomecánica, etc. Las
prótesis han sido mejoradas a pasos agigantados y
constantes, de acuerdo al avance tecnológico, motivo por
el cual la bioingeniería está creciendo cada vez
más y logrando un mayor desarrollo tanto en el campo
médico-tecnológico como en el área de la
investigación. El gran desarrollo en las prótesis
biónicas se debe gracias a la aplicación de nuevos
materiales y técnicas para la creación y manejo de
las mismas, así como a los avances en las técnicas
de implantación por lo que cada día es más
amplia la gama de posibilidades en sustituciones de
órganos conocidos, así como también el
acoplamiento o sustitución de extremidades
humanas.

Introducción

La Bioingeniería ha sido definida como
útil y majestuosa debido a su amplia complejidad, ya que
exige imaginación, se extiende ilimitadamente en todas sus
áreas y hasta puede involucrarse en un ámbito
religioso, cuando se consideran problemas éticos humanos,
como puede ser el caso de órganos artificiales en
ingeniería genética. [17]

Una prótesis es un elemento desarrollado con el
fin de mejorar o reemplazar una parte o un miembro completo del
cuerpo humano afectado.

La primera prótesis registrada data del
año 2000 a. C., fue encontrada en una momia egipcia, dicha
prótesis es como[19] El diccionario de la Real Academia
Española adopta como definición de prótesis:
El procedimiento mediante el cual se repara artificialmente la
falta de un órgano, o parte de él; o como el
aparato o dispositivo destinado a esta reparación. [7] Una
prótesis para cualquier ser humano discapacitado y
precisamente en las personas que tienen miembros amputados, ayuda
para el desarrollo psicológico y emocional de la persona
ya que permite crear la percepción de totalidad libertad
al recobrar movilidad y aspecto, cuando una persona pierde una
extremidad crea involuntariamente una reacción que se
llama memoria de percepción, esto significa que la persona
a pesar de haber perdido una extremidad hace mucho tiempo incluso
años se hace la idea de que todavía la tiene y
provoca impulsos involuntarios en el espacio donde se amputo un
miembro, esto provoca que las personas se afecten emocionalmente
y se limite o se cohíba a realizar acciones que
todavía pueden realizarlas a pesar de su
discapacidad.

Los seres humanos tienen la capacidad de
aceptación y sobre todo de adaptación a una gran
variedad de percepciones, de estímulos y de
reacción y respuesta, esto es gracias a los cinco sentidos
que hemos desarrollado, gracias a estas características
humanas podemos crear prótesis artificiales que van a
poder remplazar miembros como si fueran nuevos, con las mismas
funcionalidades y características de una persona no
discapacitada.[14]

La sustitución de miembros humanos por
prótesis biomecánicas imita la función
original de una extremidad humana o incluso en la actualidad la
superan, potenciándola con materiales más
sofisticados y tecnología de punta.

La integración de varias ramas como la medicina,
la electrónica, etc., enfocada a la inteligencia
artificial y la mecánica en sus variaciones tanto del
diseño como de ergonomía, se integran para poder
sistematizar y a la pos crear un instrumento biomecánico
que sea útil y cumpla todos los requerimientos cuando la
utilice una persona. Mientras la tecnología que desarrolla
implantes biónicos está aún en desarrollo,
en la actualidad podemos destacar la creación de cuerpos
artificiales.

Inicios en el
diseño y uso de prótesis

No es sino hasta el siglo XVI, cuando el médico
militar francés Ambroise Paré desarrolló el
primer brazo artificial móvil al nivel de codo, llamado
"Le petit Loraine" el mecanismo era relativamente sencillo
tomando en cuenta la época, los dedos podían
abrirse o cerrarse presionando o traccionando, además de
que constaba de una palanca, por medio de la cual, el brazo
podía realizar la flexión o extensión a
nivel de codo. Figura1.

Figura 1 Primeras prótesis
ortopédicas de Ambroise Paré [17]

Posteriormente se vio la necesidad de mejorar y crear
prótesis ya mucho más complejas, como en este caso
el de una mano que pueda realizar el cierre y la apertura de los
dedos pero que sea controlada por los movimientos del tronco y
hombro contra lateral. Más tarde el Conde Beafort da a
conocer un brazo con flexión del codo activado al
presionar una palanca contra el tórax, aprovechando
también el hombro contra lateral como fuente de
energía para los movimientos activos del codo y la mano,
la mano constaba de un pulgar móvil utilizando un gancho
dividido.[1]

En el siglo XX, el médico francés
Gripoulleau, no solo pensó en crear una prótesis
para alguna persona discapacitada solo para completar sus
extremidades sino realizo prototipos para que las personas puedan
insertarse en un campo laboral y sigan con sus actividades
normales.

Diseño de
prótesis en el siglo XXI

El origen de las prótesis activadas por los
músculos del muñón se da en Alemania gracias
a Ferdinand Sauerbruch, el cual logra crear un mecanismo que
permita flexionar las manos y asemejar un poco más a la
mano real, mediante varillas de marfil que hacía pasar a
través de túneles cutáneos, haciendo posible
que la prótesis se moviera de forma activa debido a la
contracción muscular. Es hasta 1946 cuando se crean
sistemas de propulsión asistida, dando origen a las
prótesis neumáticas y eléctricas. Un sistema
de propulsión asistida es aquel en el que el movimiento es
activado por algún agente externo al cuerpo. Las
prótesis con mando
mioeléctrico[1]comienzan a surgir en el
año de 1960 en Rusia. Esta opción protésica
funciona con pequeños potenciales extraídos durante
la contracción de las masas musculares del
muñón, siendo estos conducidos y amplificados para
obtener el movimiento de la misma. En sus inicios, este tipo de
prótesis solo era colocada para amputados de antebrazo,
logrando una fuerza prensora de dos kilos. [1]

Actualmente la mayoría de funciones de las
prótesis de mano están limitadas al cierre y
apertura de la pinza, la diferencia entre éstas radican en
el tipo de control que emplean, pero todas realizan
básicamente las mismas actividades. Los países con
mayor avance tecnológico e investigación sobre
prótesis son Alemania, Estados Unidos, Francia,
Inglaterra.[1] Una mano biónica totalmente funcional
(Figura2), controlada con la mente y músculos del paciente
al cual se le ha sido implantada, ha sido puesta en el mercado y
ha contado con una muy buena aceptación debido a su alta
eficiencia al momento de interactuar con el paciente. Este nuevo
diseño conocido como I-Limb, fue inventado por el
investigador escocés David Gow pero diseñado y
fabricado por la empresa Touch Bionics. La mano funciona con un
sistema de control intuitivo que recoge las señales
eléctricas que generan los músculos del miembro
residual del paciente. Estas señales, llamadas
mioeléctricas, son recogidas por electrodos que se colocan
en la superficie de la piel y posteriormente son procesadas para
que la mano se mueva.[5]

Figura 2 Prótesis
biónica I-Limb[15]

El I-Limb ha ganado varios concursos, entre ellos el
premio más importante que se otorga a la ingeniería
en el Reino Unido, el premio MacRobert[2]El modelo
de la I-Limb ha sido un diseño totalmente revolucionario y
ha abierto la puerta a una nueva generación de aparatos de
prótesis cuyo avance más importante es la
tecnología de dedos multiarticulados.[4]

Sistemas de
prótesis

Figura 3 Prótesis Actual
[15]

El desarrollo de una prótesis comienza primero en
enfocarse en las acciones y características de la
prótesis que va a remplazar a algún miembro
amputado en este caso se enfoca a la creación de
prótesis para manos, la mano realiza principalmente dos
funciones: la prensión y el tacto, las cuales permiten al
hombre convertir ideas en formas, la mano otorga además
expresión a las palabras además de que el sentido
del tacto permite que se desarrolle totalmente la capacidad de la
mano como las actividades que se mencionó anteriormente.
Es importante mencionar que el dedo pulgar representa el miembro
más importante de la mano, sin éste la capacidad de
la mano se reduce hasta en un 40 por ciento. [17]

Los principales tipos de prensión de la mano son
de suma importancia, ya que la prótesis deberá ser
diseñada para cumplir todo estos requerimientos. Toda
prótesis artificial necesita un sistema de energía
que permita tomar una fuerza y de esta manera realizar alguna
acción, para ello se debe tomar en cuenta el nivel de
amputación del órgano ya que de acuerdo a esto se
presentan las características necesarias en una
prótesis artificial para que de esta manera se logre un
acoplamiento satisfactorio.[13]

• Prótesis
  Mioeléctricas

Las prótesis mioeléctricas son
prótesis que funcionan a base de electricidad, estas
prótesis son hoy en día el tipo de miembro
artificial más versátil y más utilizado,
además de presentar un nivel muy confiable al momento de
manipularlas y ponerlas en práctica, estas prótesis
presentan un control mioeléctrico que se basa en el
concepto de que siempre que un músculo en el cuerpo se
contrae o se flexiona, se produce una pequeña señal
eléctrica (EMG) que es creada por la interacción
química en el cuerpo, dicha señal eléctrica
es muy pequeña y oscila en rangos de valores de 5 a 20 uV.
Debido a estos niveles casi imperceptibles de señales
eléctricas que presentan los músculos humanos se
han diseñado sistemas de sensores llamados electrodos que
entran en contacto con la superficie de la piel y permiten
registrar la señal EMG. Una vez registrada, esta
señal se amplifica para posteriormente ser procesada
mediante sistemas inteligentes que permitan accionar a los
motores que se encuentran en la prótesis y permitan el
movimiento del mismo de acuerdo a los movimientos involuntarios
que producen los músculos de la persona. [2]

Figura 4 Configuración
básica de una prótesis mioeléctrica
[12]

Cuando sea necesario colocar una prótesis de este
estilo, el primer paso que debemos realizar consiste en someterse
a una prueba mioeléctrica. Esta prueba consiste en colocar
electrodos en la extremidad residual o muñón. Un
probador de electricidad importantes cuando usted contraiga sus
músculos: La fuerza de la señal EMG (cuánta
señal eléctrica puede registrarse) y si la persona
sometida a prueba tiene capacidad para separar las contracciones.
Separar las contracciones significa que cuando un músculo
se contrae o se flexiona, otro músculo opuesto se mantiene
relajado [8].

Existen las también llamadas Prótesis
Híbridas. Una prótesis híbrida combina la
acción del cuerpo con el accionamiento por electricidad en
una sola prótesis. En su gran mayoría, las
prótesis híbridas sirven para individuos que tienen
amputaciones o deficiencias transhumerales (arriba del codo) Las
prótesis híbridas utilizan con frecuencia un codo
accionado por el cuerpo y un dispositivo terminal controlado en
forma mioeléctrica.[9]

• Tratamiento de la señal
  mioeléctrica

La señal mioeléctrica sensada en la
superficie de la piel se amplifica, ya que su amplitud
varía desde las centenas de micro voltios hasta las
unidades de mili voltios y no es suficiente para su
utilización directa como señal de control.
Además de ser una señal de baja amplitud, se suma
la componente de ruidos propios del cuerpo y ajenos a él,
por lo que ha sido necesario filtrarla para discriminarla de
otras señales no deseadas.[6]

• Electrodos: Para poder obtener la señal se
  utilizan electrodos de electrografía, estos permiten
  su colocación a una distancia pequeña entre
  sí. Este tipo de electrodos son capaces de transmitir
  señales muy pequeñas y mantenerlas hasta poder
  ser captadas por la etapa preamplificadora que se
  mencionará a continuación [16][12].

• Etapa de Pre-amplificación: Para esta etapa
  de pre-amplificación es necesario utilizar componentes
  eléctricos capaces de mejorar una señal para
  después pasarla a una etapa de amplificación
  total, para esto se ocupa generalmente amplificadores
  operacionales de instrumentación capaces de amplificar
  pequeñas señales y adecuarlas de cierta manera
  para poder manipularlas correctamente.[11]

• Etapa de amplificación: En esta etapa se
  procede a realizar la amplificación completa de la
  señal obtenida de la etapa preamplificadora,
  aquí se procede a obtener una ganancia adecuada de la
  señal y logrando alcanzar los valores de amplitud
  necesarios para poder procesarla en la siguiente
  etapa.[11]

• Procesamiento de la señal: El procesamiento
  de la señal analógica se lo realiza por medio
  interfaces micro-controladas que permiten manipular las
  señales analógicas en señales digitales
  que serán utilizadas para los actuadores y diferentes
  mecanismos que tendrá la prótesis, esta etapa
  es una de las más importantes ya que aquí se
  calibran y manipulan todas las señales para poder
  tener una respuesta en la prótesis satisfactoria y que
  beneficie a la persona discapacitada. Diversos sensores
  táctiles ubicados en sitios estratégicos de la
  prótesis de la mano son capaces de captar
  señales que periten retroalimentar todo el sistema y
  de esta manera mantener un sistema controlado y eficaz,
  muchos de estos sensores son calibrados previamente
  realizando una relación con los datos obtenidos de las
  señales de los electrodos ya que esto permite regular
  la fuerza de la prótesis en sus diferentes acciones
  como son la de manipular y la acción de
  compresión de la mano [11], [8], [19].

• Etapa de acoplamiento y entrenamiento: En esta etapa
  se pone a prueba todo el sistema de la prótesis,
  mediante un software que nos permite visualizar el
  funcionamiento completo de la prótesis y así
  detectar aspectos como fallas o errores en la
  calibración de la misma, esta etapa también es
  de suma importancia ya que permite poner a punto a la
  prótesis [13]. La interfaz gráfica del software
  permite obtener una imagen tridimensional del movimiento de
  la prótesis y sus diferentes acciones como la
  manipulación de objetos y la compresión de los
  dedos, existen diversos modelos matemáticos que nos
  permiten comparar los niveles de amplitud y rotación
  de la prótesis, se debe establecer un patrón de
  movimientos tridimensionales capaces de mantener una
  similitud esencial con una mano completamente real [15].
  Actualmente existen muchos dispositivos que permiten una
  maniobrabilidad más eficiente como es el caso de los
  alambres musculares, que son más livianos y más
  ergonómicos [3].

Actualmente un grupo de científicos han logrado
restablecer el sentido del tacto en dos pacientes con brazos
artificiales, en lo que es visto como gran un paso hacia la
posibilidad de crear extremidades sensibles. El procedimiento
consistió en reconducir hacia el pecho los nervios que
quedaron de las extremidades [18].

De esa forma, si se aplicaba presión sobre sus
pechos, los dos pacientes podían sentir los brazos y manos
que perdieron.

En algunas pruebas, los pacientes podían
identificar incluso el lugar de la mano que era tocado. Los
electrodos que se instalaron en el arnés del hombro de
cada paciente permitieron detectar los mensajes emitidos desde el
cerebro hasta el músculo del pecho y los condujeron hasta
el brazo. El paso siguiente abre la puerta al sentido del tacto,
cuya carencia es la principal limitación de las
extremidades artificiales.

Figura 6 Transformada rápida de
Fourier (FFT) de la señal mioeléctrica
preamplificada del pectoral [13]

Figura 5Procesamiento de las
señales mioeléctricas [13]

Conclusiones

Este artículo ha presentado una breve
descripción de un proceso de diseño y
creación de una prótesis para manos comenzando
desde la adquisición de señales hasta el proceso de
entrenamiento y manipulación de la misma, el objetivo de
esto es lograr que una persona discapacitada pueda llevar una
mejor vida ya que gracias a estos estudios y con la
tecnología que avanza a pasos agigantados se logre crear
procesos o sistemas más eficaces que logren igualar e
incluso mejorar próstesis que potenciar el funcionamiento
de una prótasis, además de esto es importante
realizar un diseño ergonómico ya que así el
individuo logre insertarse en el campo laboral y no proceda a
marginarse de la sociedad por el motivo que esto amerita, pero
los más importante es que la persona recupere su confianza
y ponga a prueba su inteligencia emocional ya que eso es lo
más importante para que una persona viva acorde y en
armonía con una sociedad.

En la actualidad existen prótesis que permiten
potenciar alguna extremidad amputada esto quiere decir que se le
dan características más sofisticadas que una mano
real como son la de movilidad y sobre todo de fuerza extra, esto
ya se está observando en algunos países como
Alemania, existen personas que pueden llamarse superhumanos ya
que poseen prótesis superpotenciadas. En el futuro ya no
existan las prótesis que reemplacen a algún miembro
o extremidad sino se daran paso a las superprótesis que
son capaces de realizar actividades que están fuera del
alcance de nuestra imaginación.

Actualmente la prótesis I-Limb es la más
utilizada en el mercado y su costo ciertamente es muy elevado,
siendo de aproximadamente US$18.000 dólares para las
clínicas priva-das, pero se espera que en algunos
años esté disponible en algunos sistemas nacionales
de salud. Estas prótasis son usadas en su mayoría
por ex-militares que perdieron el miembro en la guerra de
Irak.

Referencias

• [1] A.C. Aldana. Obtención y
  análisis de señales bioeléctricas.
  Universidad Pedagógica Nacional, 2006.

• [2] R. Bibliográfica. Prótesis
  Mioeléctricas. Labor… académico Labor…
  académico, page 38.

• [3] L. W. Braud, M. N. Lupin, and W. G. Braud.
  The use of electromyo-graphic biofeedback in the control of
  hyperactivity. Journal of Learning Disabilities, 8(7):420
  – 425, 1975.

• [4] BBC Ciencia. Mano biónica se lleva
  premio. BBC Mundo.

• [5] BBC Mundo Ciencia. La mano biónica
  más sofisticada. BBC Mundo.

• [6] H. Rodriguez J. L. Pons D.
  Mesonero-Romanos, R. Ceres. Arquitectura electrónica
  para el control de una prótesis de mano. Instituto de
  Automática Industrial (CSIC), España,
  2002.

• [7] R. A. Española. Diccionario de la
  real academia española. Libr. de Parmantier,
  1826.

• [8] Simon Ferguson and G Reg Dunlop. Grasp
  Recognition From Myoe-lectric Signals. Austalasian Conference
  on Robotics and Automation, Auckland,27,29 November 2002,
  2002.

• [9] Castillo Dorador Flores, Juarez. Actualidad
  y tendencias en el diseño de prótesis de
  miembro superior. Memorias del X Congreso Anual de la
  Sociedad Mexicana de Ingeniería Mecánica,
  Querétaro, México, 2004.

• [10]  M. García, J. Aída, O.
  María, and P. Miguel. Potenciales
  Bioeléctricos: Origen y registro. Universidad
  Autónoma Metropolitana. México. Unidad
  Iztapalapa, page 195, 1998.

• [11]  John Fredy Franco Gustavo A Betancourt O,
  Eduardo Giraldo Suárez. Reconocimiento de patrones de
  movimiento a partir de señales
  electro-miográficas. Scientia et Technica, UTP., (26),
  2010.

• [12]  Fernando Mateo Jiménez. Redes
  neuronales y procesado de variables para modelos y sensores
  en bioingeniería. Universidad Politécnica de
  valencia. Dpto. de Ingeniería
  electrónica.

• [13]  R. De la Rosa Steinz and L. Liptak.
  Entrenador mioeléctrico de prótesis para
  amputados de brazo y mano. Mapfre Medicina, 13(1):11 –
  19, 2002.

• [14]  R. Merletti and P. Parker. Physiology,
  engineering, and noninvasive applications. Electromyography,
  2005.

• [15]  Inc. All rights reserved Myoelectronics.
  by Advanced Arm Dynamics. Opciones Protésicas.
  Advanced Arm Dynamics, Inc., 2002.

• [16]  A. Pedroza-Meléndez. La
  microelectrónica en la medicina y la cirugía.
  Cirugía y Cirujanos, 65(6):174 – 177,
  1997.

• [17]  BBC Mundo Science. El futuro:
  Prótesis con sentido del tacto. Science.

• [18]  Lisandro Puglisi y Héctor Moreno.
  Prótesis Robóticas. Universidad
  Politécnica de Madrid. Dpto. de Automática,
  Ingeniería electrónica e Informática
  industrial.

• [19] J. M. Poblet. Introducción a la
  Bioingeniería. Marcombo, 1988.

Autor:

Francisco Javier Ortiz Ortiz

actualmente cursando el tercer año de estudios en
la carrera de Ingeniería Electrónica en la
Universidad Politécnica Salesiana, sede
Cuenca-Ecuador.

[1] Adj. [Prótesis] que sustituye a un
músculo y tiene un funcionamiento eléctrico.

[2] Premio concedido desde 1969 por la Real
Academia de Ingeniería. El premio reconoce las ideas con
mayor innovación en el campo de la
ingeniería.