Prótesis Humanas Bioingeniería
2. Introducción
3. Desarrollo
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]
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
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
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]
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]
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]
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]
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]
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]
Fig. 9. Simulador para medida de desgarte
de protesis articulares[15]
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]
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
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Enviado por:
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