Analisis-numerico-experimental-de-protesis-reversa-de-hombro

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ANÁLISIS NUMÉRICO- EXPERIMENTAL DE 
PRÓTESIS REVERSA DE HOMBRO 
 
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DDIIRRIIGGIIDDAA PPOORR:: 
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 JULIO 2014 
IINNSSTTIITTUUTTOO PPOOLLIITTÉÉCCNNIICCOO NNAACCIIOONNAALL 
 
T E S I S 
 
 
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE 
M A E S T R O E N C I E N C I A S 
C O N E S P E C I A L I D A D E N 
D I S E Ñ O M E C Á N I C O 
P R E S E N T A : 
EESSCCUUEELLAA SSUUPPEERRIIOORR DDEE IINNGGEENNIIEERRÍÍAA MMEECCÁÁNNIICCAA YY EELLÉÉCCTTRRIICCAA 
SSEECCCCIIÓÓNN DDEE EESSTTUUDDIIOOSS DDEE PPOOSSGGRRAADDOO EE IINNVVEESSTTIIGGAACCIIÓÓNN 
 
ii
Agradecimientos
A mi familia, ya que gracias a su apoyo he llegado hasta aquí. Gracias por su paciencia y cariño,
también por alentarme cada día y desde luego por todo el amor que me han dado a lo largo de mi vida.
Sin su apoyo yo no hubiera logrado alcanzar una de las más importantes metas de mi vida, concluir mi
posgrado.
A mis directores de Tesis y en especial al Dr. Guillermo Urriolagoitia Sosa, por el apoyo que me dio
para lograr realizar este trabajo, y también por su amistad y confianza que me brindó desde el principio.
Sin su ayuda este trabajo no lo hubiera concluido en tiempo y forma. Al Dr. Guillermo Urriolagoitia
Calderón, que más allá de sus buenos consejos, es quien al dirigir al grupo de Biomecánica contribuye
de manera muy importante en cada trabajo realizado. Gracias a los dos que a la vez fueron mis
profesores y me brindaron sus conocimientos.
A mis profesores, Luis H. Hernández G., quien siempre está ahí cuando se le necesita y siempre nos
ayuda a culminar nuestros trabajos. En definitiva una persona que agradezco haber tenido la
oportunidad de ser su alumno. Al Dr. Juan A. Beltrán F., quien es un excelente profesor del cual aprendí
mucho de lo que presento en mi trabajo. Al Dr. Carlos Torres T., quien es un investigador de un nivel al
que aspiro llegar. Sin duda un ejemplo a seguir. Al Dr. Cristopher R. Torres S., quien me ayudó mucho
para poder concluir mi Tesis, además de apoyarme con una parte fundamental de mi trabajo. Gracias
por el apoyo:.
A todos mis compañeros y amigos que me ayudaron con mi trabajo y me brindaron un poco de sus
conocimientos y por su interés en mi trabajo.
A mi amiga incondicional Susana González D., quien a estado a mi lado apoyándome en cada
momento. Gracias por ser una inspiración y una parte fundamental para la culminación de este trabajo.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) por el apoyo económico brindado durante
la realización de este trabajo.
Al Instituto Politécnico Nacional y a Mi Alma Máter la ESIME, por darme la oportunidad de continuar
con mi formación académica.
Este trabajo es posible gracias a cada uno de ellos.
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
iii
RESUMEN
Desde tiempos inmemoriales el hombre a dedicado gran arte de su tiempo en el estudio de la anatomía
humana, lo cual lo ha llevado a desarrollar mecanismos de mucha utilidad que fueron inspirados por los
sutiles y precisos movimientos del cuerpo humano. Con el paso del tiempo se fueron perfeccionando
este tipo de mecanismos gracias a que se desarrollaron materias más especializadas para el estudio del
cuerpo, lo que llevó a que el hombre adquiriera un conocimiento muy basto sobre la anatomía.
Actualmente en nuestro país nos encontramos con personas que tienen malformaciones, nacieron con la
falta de algún miembro o simplemente fueron amputados a causa de alguna enfermedad o accidente, lo
que ocasiona que dichas personas sean incapaces de llevar acabo actividades muchas veces
indispensables para su vida. Es por eso que hoy en día, el diseño y manufactura de materiales
biocompatibles ayudan a esas personas satisfagan algunas necesidades que sin esos componentes seria
imposible. Tal es el caso de las prótesis, que pueden suplir un miembro y así poder seguir con las
actividades diarias sin muchas complicaciones. Es importante decir que no solo es posible suplantar
brazos o piernas con una prótesis, ya que también existen otras variantes de prótesis que pueden suplir
o ayudar a mejorar el funcionamiento de partes del cuerpo sin ser retiradas, de hecho es posible suplir
casi cualquier parte del cuerpo.
En el caso de este trabajo en particular nos enfocamos en una endoprótesis de Hombro, la cual se
coloca sin la necesidad de retirar el miembro, su función es para dar apoyo a un hueso que se encuentra
en mal estado, tal es el caso del Hombro, que al ser una parte tan móvil del cuerpo humano llega a ser
una de las partes del cuerpo más exigentes, así que es por eso que las endoprótesis de Hombro han
tenido una evolución tan rápida, ya que se busca devolver al paciente la máxima movilidad después de
ser implantada la prótesis. Una prótesis de este tipo es de gran ayuda cuando se tiene fracturas o alguna
enfermedad desgastó el hueso, ya que las endoprótesis simplemente se injertan dentro del hueso y así
de esta manera dan apoyo al hueso sin necesidad de retirarlo y suplirlo por otra prótesis. Se analiza la
endoprótesis reversa de Hombro para valorar su funcionalidad, y si presenta fallas a la hora de que una
persona tenga la necesidad de levantar algún peso con el brazo donde se encuentra la prótesis y se
corrobora el análisis de manera experimental por último se evalúa cual es el peso máximo que soporta
la prótesis hasta que se dañe por completo.
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
iv
ABSTRACT
Since time immemorial man has dedicated great art of his time in the study of human anatomy, which it
has been very useful to develop mechanisms that were inspired by the subtle and precise movements of
the human body. With the passage of time were improved such mechanisms because more specialized
body for the study materials were developed, which led to the man acquire a very rough knowledge of
the anatomy.
Currently in our country we find people who have malformations were born with missing limb or
simply were amputees due to illness or injury, which causes such person is unable to carry out activities
often indispensable for life. That's why today, the design and manufacture of biocompatible materials
help meet those people that needs some serious without those components impossible. Such is the case
of the prosthesis, which can supply an individual and be able to continue with daily activities without
much hassle. It is important that it is not only possible to replace arms and legs with a prosthesis, and
that there are other variants of prostheses that can supply or help improve the functioning of parts of the
body without being removed, it is indeed possible to meet almost any part of body.
In the case of this particular work we focus on a shoulder endoprosthesis, which is placed without the
need to remove the member, their role is to support a bone that is in poor condition, as is the case
shoulder that being such a moving part of the human body becomes a party to the most demanding
body, so that's why stents shoulder have had such rapid evolution, as it seeks to return the patient
maximum mobility after being implanted prosthesis. A prosthesis of this type is helpful when you have
any fractures or bone disease wore because stents simply grafted into the bone and so thus giving
support to the bone without having to remove and replace him by another prosthesis. Reverse Shoulder
stents to assess its functionality is analyzed, and if it becomes defective when a person has the need to
lift someweight with the arm where the prosthesis and the analysis is confirmed experimentally
evaluated finally what is the maximum weight supported prosthesis until it breaks completely.
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
v
Índice de contenido
RESUMEN.................................................................................................................................................3
ABSTRACT...............................................................................................................................................4
Índice General............................................................................................................................................5
Capitulo 1. Estado del Arte....................................................................................................................5
Capitulo 2. Marco Teórico.....................................................................................................................5
Capítulo 3. Análisis Numérico Elástico................................................................................................6
Capítulo 4. Análisis Numérico Elasto-Plástico.....................................................................................6
Capítulo 5. Análisis Experimental.........................................................................................................7
Discusiones y Conclusiones..................................................................................................................7
Índice de Figuras........................................................................................................................................8
Capitulo I...............................................................................................................................................8
Capítulo II..............................................................................................................................................8
Capítulo III............................................................................................................................................8
Capítulo IV............................................................................................................................................9
Capítulo IV..........................................................................................................................................10
Discusiones y Conclusiones................................................................................................................10
Índice de Tablas y Graficas......................................................................................................................11
Capítulo III..........................................................................................................................................11
Capítulo IV..........................................................................................................................................11
Capítulo V............................................................................................................................................11
Discusiones y Conclusiones................................................................................................................11
OBJETIVO...............................................................................................................................................12
 Objetivos particulares.........................................................................................................................12
JUSTIFICACIÓN....................................................................................................................................13
INTRODUCCIÓN...................................................................................................................................14
Índice General
Capitulo 1. Estado del Arte
I.1.- Introducción........................................................................................................................................2
I.2.- Antecedentes históricos sobre las prótesis..........................................................................................4
I.3.- Prótesis de extremidad superior.......................................................................................................14
I.4.- Artroplastia de miembro inferior......................................................................................................16
I.5.- Artroplastia de miembro superior.....................................................................................................17
I.6.- Endoprótesis de Hombro..................................................................................................................18
I.7.- Planteamiento del problema.............................................................................................................20
I.8.- Sumario............................................................................................................................................20
I.9.- Referencias.......................................................................................................................................21
Capitulo 2. Marco Teórico
II.1.- Fisiología del Hombro....................................................................................................................24
II.2.- Anatomía del Hombro.....................................................................................................................26
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
vi
II.3.- Artritis Glenohumeral de Hombro..................................................................................................29
II.4.- Principales causas de la artritis glenohumeral................................................................................31
II.5.- Reemplazo protésico.......................................................................................................................34
II.6.- Endoprótesis de Hombro.................................................................................................................35
II.6.1.- Endoprótesis Restrictivas Totales............................................................................................36
II.6.2.- Endoprótesis Restrictivas Totales Reversa (invertidas)..........................................................38
II.6.3.- Endoprótesis no restrictivas Totales........................................................................................40
II.6.4.- Endoprótesis semi -restrictivas Totales...................................................................................41
II.7.- Sumario...........................................................................................................................................42
II.8.- Referencias......................................................................................................................................43
Capítulo 3. Análisis Numérico Elástico
III.1.- Método de Elemento Finito y la Biomecánica...............................................................................45
III.2.- Aplicación del Método de Elemento Finito...................................................................................45
III.3.- Caso de estudio..............................................................................................................................46
III.4.- Desarrollo del modelo....................................................................................................................46
III.5.- Casos de estudio en particular.......................................................................................................50
III.6.- Condiciones de frontera para la prótesis........................................................................................53III.7.- Propiedades mecánicas del Vitallium............................................................................................54
III.8.- Preparación del modelo a analizar.................................................................................................55
III.9.- Restricciones para el análisis.........................................................................................................56
III.10.- Especificaciones de la carga para el caso 1.................................................................................56
III.11.- Análisis del caso 1. Carga aplicada a 45º.....................................................................................57
III.12.- Especificación de la carga para el caso 2.....................................................................................59
III.13.- Análisis del caso 2. Carga aplicada a 90º.....................................................................................60
III.14.- Especificación de la carga para el caso 3.....................................................................................62
III.15.- Análisis del caso 3. Carga aplicada a 150º...................................................................................63
III.16.- Sumario........................................................................................................................................65
III.17.- Referencias..................................................................................................................................66
Capítulo 4. Análisis Numérico Elasto-Plástico
IV.1.- Caso de estudio..............................................................................................................................68
IV.2.- Casos de estudio en particular........................................................................................................68
IV.3.- Preparación del modelo y condiciones de frontera para la prótesis...............................................71
IV.4.- Condiciones de carga para el caso 1..............................................................................................71
IV.4.1.- Análisis de caso 1. Carga aplicada a 45º................................................................................71
IV.4.1.1.- Desplazamiento máximo en X........................................................................................72
IV.4.1.2.- Carga en el eje X.............................................................................................................73
IV.4.1.3.- Carga en el eje Y.............................................................................................................73
IV.4.1.4.- Carga en el eje Z.............................................................................................................74
IV.5.- Condiciones de carga para el caso 2..............................................................................................74
IV.5.1.- Análisis del caso 2. Carga aplicada a 90º...............................................................................75
IV.5.1.1.- Desplazamiento máximo en eje X..................................................................................75
IV.5.1.2.- Carga en el eje X.............................................................................................................76
IV.5.1.3.- Carga en el eje Y.............................................................................................................77
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
vii
IV.5.1.1.- Carga en el eje Z.............................................................................................................78
IV.6.- Condiciones de carga para el caso 3..............................................................................................79
IV.6.1.- Análisis del caso 3. Carga aplicada a 150º.............................................................................79
IV.6.1.1.- Desplazamiento máximo en eje Y..................................................................................79
IV.6.1.2.- Carga en el eje X.............................................................................................................80
IV.6.1.3.- Carga en el eje Y.............................................................................................................81
IV.6.1.4.- Carga en el eje Z.............................................................................................................81
IV.7.- Sumario..........................................................................................................................................82
IV.8.- Referencias.....................................................................................................................................82
Capítulo 5. Análisis Experimental
V.1.- Endoprótesis de Hombro.................................................................................................................84
V.2.- Preparación del banco de trabajo.....................................................................................................85
V.3.- Instalación de galgas extensiométricas [V.2]...................................................................................90
V.3.1.- Limpieza de la pieza................................................................................................................90
V.3.2.- Preparación de la superficie.....................................................................................................90
V.3.3.- Preparación de la galga............................................................................................................90
V.3.4.- Colocación de las galgas..........................................................................................................91
V.3.5.- Preparación para la prueba experimental.................................................................................92
V.4.- Prueba experimental........................................................................................................................93
V.5.- Sumario...........................................................................................................................................96
V.6.- Referencias......................................................................................................................................96
Discusiones y Conclusiones
C.1.- Conclusiones...................................................................................................................................98
C.2.- Análisis elástico...............................................................................................................................99
C.2.1.- Análisis elástico a 45º............................................................................................................100
C.2.2.- Análisis elástico a 90º............................................................................................................100
C.2.3.- Análisis elástico a 150º..........................................................................................................101
C.3.- Análisis elasto-plástico..................................................................................................................102
C.3.1.- Desplazamiento máximo en los ángulos de 45º, 90º y 150º..................................................102
C.4.- Análisis experimental....................................................................................................................107
C.5.- Corroboración de resultados..........................................................................................................110
C.6.- Trabajo futuro................................................................................................................................114
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
viii
Índice de Figuras
Capitulo IFigura I.1.- Generalización de diversos amputados...................................................................................2
Figura I.2.- Diversos tipos de prótesis.......................................................................................................3
Figura I.3.- Prótesis de miembro inferior de madera.................................................................................4
Figura I.4.- Da Vinci, algunos estudios y notas sobre el cuerpo humano..................................................5
Figura I.5.- Publicación Motu Animalium.................................................................................................6
Figura I.6.- Prótesis Flex-Foot para atletas................................................................................................7
Figura I.7.- Prótesis egipcia.......................................................................................................................8
Figura I.8.- Götz Von “mano de Hierro” Berlichingene............................................................................9
Figura I.9.- Evolución de las prótesis......................................................................................................10
Figura I.10.- Visualización de las extremidades humanas.......................................................................11
Figura I.11.- Prótesis de pierna del siglo XIX..........................................................................................12
Figura I.12.- Primera prótesis de pierna en Aluminio..............................................................................12
Figura I.13.- Muñón y prótesis.................................................................................................................13
Figura I.14.- Ejemplo de prótesis activas y pasivas.................................................................................14
Figura I.15.- Prótesis mioleléctrica de mano...........................................................................................15
Figura I.16.- Artroplastia de rodilla.........................................................................................................16
Figura I.17.- Artroplastia de miembro superior.......................................................................................17
Figura I.18.- Prótesis radiocarpiana.........................................................................................................18
Figura I.19.- Endoprótesis de Hombro.....................................................................................................19
Capítulo II
Figura II.1.- Movimiento del Hombro en los tres ejes principales..........................................................24
Figura II.2.- Planos ortogonales de referencia.........................................................................................25
Figura II.3.- Anatomía del Hombro.........................................................................................................26
Figura II.4.- Clavícula..............................................................................................................................27
Figura II.5.- Escápula...............................................................................................................................28
Figura II.6.- Húmero................................................................................................................................29
Figura II.7.- Músculos del Hombro.........................................................................................................31
Figura II.8.- Ejemplo de desgaste causado por artritis.............................................................................32
Figura II.9.- Ejemplo de Osteonecrosis...................................................................................................33
Figura II.10.- Prótesis de Jules Emil Péan...............................................................................................34
Figura II.11.- Ejemplo de endoprótesis de Hombro.................................................................................35
Figura II.12.- Variante de prótesis de Hombro.........................................................................................36
Figura II.13.- Endoprótesis restrictivas totales........................................................................................38
Figura II.14.- Endoprótesis restrictivas totales reversa (invertidas)........................................................40
Figura II.15.- Endoprótesis no restrictivas totales...................................................................................41
Figura II.16.- Endoprótesis semi-restrictivas totales................................................................................42
Capítulo III
Figura III.1.- Prótesis del tipo Delta. a) Componente humeral. b) Componente humeral y componente
glenoideo..................................................................................................................................................47
Figura III.2.- Dimensiones del Húmero...................................................................................................48
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
ix
Figura III.3.- Modelos de prótesis en SolidWorks...................................................................................49
Figura III.4.- Prótesis. (Acotaciones en mm)...........................................................................................50
Figura III.5.- Abducción...........................................................................................................................50
Figura III.6.- Ritmo escapulohumeral......................................................................................................51
Figura III.7.- Elevación escapulohumeral. a) Base. b) 1er Caso. Siendo “C” El eje tomado como base a
0º con la columna vertebral, “E” El eje de la escápula, “H· El Húmero..................................................52
Figura III.8.- Elevación escapulohumeral. a) 2do Caso. b) 3er Caso. Siendo “C” El eje tomado como
base a 0º con la columna vertebral, “E” El eje de la escápula, “H· El Húmero.......................................52
Figura III.9.- Modelo de prótesis mallado...............................................................................................55
Figura III.10.- Restricciones especificadas..............................................................................................56
Figura III.11.- Aplicación de carga, caso 1..............................................................................................57
Figura III.12.- Resultado del desplazamiento, caso 1 (mm)....................................................................57
Figura III.13.- Esfuerzo Von Mises, caso 1 (MPa)...................................................................................58
Figura III.14.- Esfuerzo Tresca, caso 1 (MPa).........................................................................................58
Figura III.15-. Esfuerzo Cortante, caso 1 (MPa)......................................................................................59
Figura III.16.- Aplicación de carga, caso 2..............................................................................................59
Figura III.17.- Resultado del desplazamiento, caso 2 (mm)....................................................................60
Figura III.18.- Esfuerzo Von Mises, caso 2 (MPa)...................................................................................61
Figura III.19-. Esfuerzo Tresca, caso 2 (MPa).........................................................................................61
Figura III.20-. Esfuerzo Cortante, caso 2 (MPa)......................................................................................62
Figura III.21.- Aplicación de carga, caso 3..............................................................................................62Figura III.22-. Resultado del desplazamiento, caso 3 (mm)....................................................................63
Figura III.23-. Esfuerzo Von Mises, caso 3 (MPa)...................................................................................64
Figura III.24-. Esfuerzo Tresca, caso 3 (MPa).........................................................................................64
Figura III.25:- Esfuerzo cortante, caso 3 (MPa)......................................................................................65
Capítulo IV
Figura IV.1.- Movimiento de abducción..................................................................................................68
Figura IV.2.- Elevación escapulohumeral. a) Base. b) 1er Caso. Siendo “C” El eje tomado como base a
0º con la columna vertebral, “E” El eje de la escápula, “H· El humero...................................................69
Figura IV.3.- Elevación escapulohumeral. a) 2do Caso. b) 3er Caso. Siendo “C” El eje tomado como
base a 0º con la columna vertebral, “E” El eje de la escápula, “H· El humero........................................69
Figura IV.4.- Condiciones de frontera......................................................................................................71
Figura IV 5.- Dirección de la carga a 45º.................................................................................................72
Figura IV.6.- Desplazamiento en el eje X (mm)......................................................................................72
Figura IV.7.- Resultado de esfuerzos para eje X (MPa)...........................................................................73
Figura IV.8.- Resultado de esfuerzos para eje Y (MPa)...........................................................................73
Figura VI.9.- Resultado de esfuerzos para eje Z (MPa)...........................................................................74
Figura IV.10.- Dirección de la carga a 90º...............................................................................................75
Figura IV.11.- Desplazamiento en el eje X (mm).....................................................................................76
Figura IV.12.- Resultado de esfuerzos para eje X (MPa).........................................................................76
Figura IV.13.- Resultado de esfuerzos residuales eje X...........................................................................77
Figura IV.14.- Resultado de esfuerzos residuales eje Y...........................................................................77
Figura IV.15.- Resultado de esfuerzos para eje Y (MPa).........................................................................78
Figura IV.16.- Resultado de esfuerzos para eje Z (MPa).........................................................................78
Figura IV.17.- Dirección de la carga a 150º.............................................................................................79
Figura IV.18.- Desplazamiento en eje Y (mm).........................................................................................80
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
x
Figura IV.19.- Resultado de esfuerzos para eje X (MPa).........................................................................80
Figura IV.20.- Resultado de esfuerzos para eje Y (MPa).........................................................................81
Figura IV.21.- Resultado de esfuerzos para eje Z (MPa).........................................................................82
Capítulo IV
Figura V.1.- Endoprótesis de Hombro impresa con impresora 3D..........................................................84
Figura V.2.- Ensamble de banco de trabajo..............................................................................................85
Figura V.3.- Base del banco.....................................................................................................................85
Figura V.4.- Plancha superior del banco..................................................................................................86
Figura V.5.- Banco completo y base para prótesis...................................................................................86
Figura V.6.- Medidas del banco de trabajo...............................................................................................87
Figura V.7.- Base de montura de prótesis.................................................................................................87
Figura V.8.- Barrenos en rondana.............................................................................................................88
Figura V.9.- Machuelos en base...............................................................................................................89
Figura V.10.- Muestra para fijación de prótesis.......................................................................................89
Figura V.11.- Neutralizador......................................................................................................................90
Figura V.12.- Prótesis y material para el pegado de galgas......................................................................91
Figura V.13.- Posición de las 3 galgas. a) Para la galga 1. b) Para la galga 2. c) Para la galga 3............92
Figura V.14.- Sujeción de la prótesis........................................................................................................93
Figura V.15.- Prótesis sujetada.................................................................................................................93
Figura V.16.- Carga y puente de Wheatstone...........................................................................................94
Figura V.17.- Carga a 10 y 30 kg.............................................................................................................94
Figura V.18.- Prótesis con carga de 100 kg..............................................................................................95
Discusiones y Conclusiones
Figura C.1.- Desplazamiento máximo y mínimo en análisis elástico a 45º (mm).................................100
Figura C.2.- Desplazamiento máximo y mínimo en análisis elástico a 90º (mm).................................101
Figura C.3.- Desplazamiento máximo y mínimo en análisis elástico a 150º (mm)...............................101
Figura C.4.- Desplazamiento máximo y mínimo en análisis elasto-plástico a 45º (mm)......................103
Figura C.5.- Desplazamiento máximo y mínimo en análisis elasto-plástico a 90º (mm)......................104
Figura C.6.- Desplazamiento máximo y mínimo en análisis elasto-plástico a 150º (mm)....................105
Figura C.7.- Esfuerzos residuales en el eje X........................................................................................106
Figura C.8.- Esfuerzos residuales en el eje Y........................................................................................107
Figura C.9.- Corroboración de resultados a 20 kg.................................................................................111
Figura C.10.- Corroboración de resultados a 40 kg...............................................................................112
Figura C.11.- Corroboración de resultados a 60 kg...............................................................................112
Figura C.12.- Corroboración de resultados a 80 kg...............................................................................113
Figura 13.- Corroboración de resultados a 100 kg.................................................................................113
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
xi
Índice de Tablas y Graficas
Capítulo III
Tabla III.1.- Antropometría de Latinoamérica.........................................................................................48
Tabla III.2.- Dimensiones del Húmero [III.4]..........................................................................................49Tabla III.3.- Relación de peso de miembros del cuerpo humano. (datos manejados en %)....................54
Capítulo IV
Tabla IV.1.- Propiedades mecánicas del Vitallium...................................................................................71
Capítulo V
Tabla V.1.- Resultados obtenidos.............................................................................................................95
Discusiones y Conclusiones
Tabla C.1.- Deformaciones y esfuerzos.................................................................................................107
Gráfica C.1.- Esfuerzo deformación de galga 1.....................................................................................109
Gráfica C.2.- Esfuerzo deformación de galga 2.....................................................................................109
Gráfica C.3.- Esfuerzo deformación de galga 3.....................................................................................110
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
xii
OBJETIVO
Este trabajo tiene como objetivo la evaluación numérica y experimental de una endoprótesis reversa de
Hombro tomando en cuenta tres casos de estudio, para conocer como se comporta el material cuando se
encuentra en ciertas posiciones. Se plantea el análisis de manera estática y en dos formas, una como
propuesta elástica y otra elasto-plástica aplicando una carga que representa la condición critica a la que
es sometido el material. También se realiza una evaluación experimental y se corroboran los resultados
obtenidos para validar la parte experimental.
Objetivos particulares
• Conocer la anatomía y fisiología del Hombro
• Llevar a cabo una investigación que nos permita saber cuales fueron los inicios de las prótesis y
su evolución a lo largo del tiempo
• Evaluar el desempeño de la prótesis mediante el método de elemento finito
• Evaluar el despeño de la prótesis de manera experimental 
• Buscar la relación del análisis numérico y el experimental
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
xiii
JUSTIFICACIÓN
Desde siempre ha existido la necesidad de brindarle mayor calidad de vida al ser humano. De esta
forma los avances en la medicina han sido de gran importancia- En el caso de las prótesis no ha sido la
excepción, ya que son una buena alternativa para personas que sufren algún accidente y necesitan un
reemplazo de un miembro del cuerpo, o simplemente porque de nacimiento se tiene una malformación. 
En el caso de las endoprótesis sucede lo mismo, ya que a diferencia de las prótesis estas se integran en
el cuerpo y ayudan de soporte a el hueso, lo que hace que las personas que sufren de artritis o artrosis
mejoren su calidad de vida, ya estas enfermedades degeneran el hueso hasta llevar a consumir el
cartílago y parte del hueso dejando inmovilizado el brazo causando mucho dolor. Esto ocurre mas con
los adultos mayores, los cuales por la edad pierden propiedades en sus huesos lo que provoca que sea
mas facial enfermar.
La importancia del Hombro se debe a que es un miembro que tiene una gran capacidad de movimiento
mas que cualquier otra arte del cuerpo, así que cuando una persona sufre de artrosis en el Hombro sus
capacidades para realizar ciertas actividades reducen casi un 50%, es por eso que es importante el
diseño y manufactura de endoprótesis de Hombro. Lo cual nos lleva a que es también de vital
importancia realizar estudios a las prótesis que circulan en el mercado, para asegurarse de que son de
buena calidad y cumplen con las especificaciones necesarias.
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
xiv
INTRODUCCIÓN
El Hombro ha sido estudiado por muchos especialistas en medicina al igual que en el área de la
biomecánica, dado que es un miembro del cuerpo muy completo y con un gran rango de movimiento.
Es por eso que la fabricación de endoprótesis de Hombro es de suma importancia, ya que mucha gente
requiere de ellas para que les sean implantadas, Aun así es necesario que se hagan estudios sobre los
componentes que son colocados en una cirugía de Hombro, ya que sino se analiza a detalle puede
ocasionar que el material utilizado en dicha prótesis no es lo eficiente y eso provocaría que se tuviera
que hacer de nuevo una intervención quirúrgica para retirar la endoprótesis dañada e injertar una nueva.
Esto des luego ocasiona muchos problemas, ya que retirar una endoprótesis es muy complicado y ni
hablar del paciente el cual puede tener infecciones muy graves por una prótesis inadecuada.
Aquí se busca analizar la prótesis para ver si es capas de resistir grandes cargas sin verse afectada, y
para ello se utiliza el método de Elemento Finito, el cual ha demostrado ser una herramienta
computacional muy útil para la evaluación de todo tipo de prótesis. 
La endoprótesis de Hombro tipo Delta es una de las prótesis mas nuevas que se están manejando hoy
en día, y al ser reversa sirve para casos en los que el Hombro se encuentra en condiciones muy malas,
ya sea por fractura o por osteoartritis, también el material utilizado en esta prótesis es muy innovador y
no muy utilizado aún. La endoprótesis reversa de Hombro parece dar solución a muchos de los
problemas que otras endoprótesis de Hombro presentan, sin embargo, el diseño de es ta prótesis no
parece ser muy adecuado para satisfacer las necesidades de una persona que necesite de este tipo de
prótesis. La evaluación tanto elástica como elasto-plástica es importante porque nos permitirá conocer
como es que se comporta esta prótesis.
Al ser evaluada con el material que se propone nos da un campo de estudio mayor. ya que no es muy
común hoy en día encontrarse con prótesis fabricadas de este material.
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
Capítulo I
Estado del Arte
En este capítulo se 
hace un estudio de la 
historia de las prótesis 
y como es que ha ido 
evolucionando con el 
paso del tiempo. 
También se estudian 
los distintos tipos de 
enfermedades que 
pueden ocasionar que 
una persona tenga que 
ser intervenida 
quirúrgicamente para 
colocarle una 
endoprótesis.
Capítulo I 2
I.1.- Introducción 
Dentro de las capacidades motoras del ser humano, se puede nacer con la falta de una extremidad o
perder un miembro por cuestiones accidentales, lo cual es un factor determinante en la vida de una
persona. La ausencia de una extremidad (inferior y/o superior) impide de manera notable la realización
de tareas cotidianas que una persona completamente saludable efectúa a lo largo de su vida y produce
dependencia de un tercero en la realización de diversas tareas (Figura I.1). 
En otro sentido de ideas, los individuos con deficiencias o ausencia de un miembro por lo regular
cubren esta insuficiencia por medio de la aplicación y utilización de un sistema prostético. La palabra
prótesis es un cultismo que tiene sus orígenes del griego (πρóθεσιζ (prótesis)) [I.1] y se desglosa como
“antes” “yo pongo”. Sin embargo en términos generales dentro de la Medicina, la prótesis es una
extensión artificial de reemplazo para una parte faltante del cuerpo [I.2]. Así es que, de acuerdo con la
definición las prótesis de uso cosmético quedan completamente excluidas, como por ejemplo; los ojos
de vidrio, las piernas de madera, etc.
Por otro lado, existen una gran variedad de prótesis, algunas de ellas son las prótesis oculares, faciales,
maxilofaciales, sexuales, dentales, auditivas y miembros artificiales [I.3] (Figura I.2). Este trabajo se
enfoca en los miembros artificiales. 
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
Figura I.1.- Generalización de diversos amputados
Capítulo I 3
Si bien, el uso de prótesis puede ser consecuencia de accidentes, enfermedades, mal formaciones, etc.
El factor determinante que impulsó el desarrollo de las mismas, es la necesidad de mejorar la calidad de
vida de las personas quelo necesitaran. Por lo que el desarrollo de prótesis involucra la necesidad de
fusionar conocimientos de la fisiología y biomecánica humana, mecanizado de materiales y prototipos
de mecanismos. Así como, interfaz hombre-máquina. Actualmente existen diferentes tipos de prótesis
para remplazar extremidades. Desde las más complejas que son llamadas prótesis inteligentes y
permiten a la extremidad reaccionar de manera natural a los movimientos de una persona, hasta las más
simples fabricadas con materiales resistentes, pero económicos. La elección de alguna de estas prótesis
depende de las necesidades del paciente. Sin embargo, aún se depende mucho del poder adquisitivo del
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
Figura I.2.- Diversos tipos de prótesis
Capítulo I 4
paciente para hacerlo. En la antigüedad, por ejemplo, la única opción eran prótesis de madera que
llegaban a ser muy incomodas (Figura I.3) [I.4]. 
I.2.- Antecedentes históricos sobre las prótesis 
Desde la antigüedad, el ser humano ha estudiado e intentado comprender el funcionamiento del cuerpo
humano y así aumentar su conocimiento para poder comprenderlo de una mejor manera. Asimismo, se
han realizado diversos intentos para simular sus funciones y aplicaciones. Largos han sido los estudios
referentes al cuerpo humano, existe uno en especial que presenta la mayor importancia, tanto por su
aportación, como por ser el primero registrado del que se tiene conocimiento. Este análisis discute
acerca de los movimientos de los animales, que fue realizado por Aristóteles [I.4] con el cual se
realizaba el primer análisis de carácter científico acerca de la marcha humana. Así como, como el
estudio geométrico de la actividad muscular (Figura I.4). 
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
Figura I.3.- Prótesis de miembro inferior de madera
Capítulo I 5
Tiempo después, en las notas sobre el cuerpo humano realizada por Leonardo Da Vinci, se presentan
las primeras observaciones sistemáticas de los movimientos humanos junto con una descripción
referente a la mecánica del cuerpo humano (Figura I.4) [I.5]. Sin embargo, Da Vinci no solo fue el
precursor de estudios dinámicos del cuerpo humano, sino que también realizó gran avances científicos
en el comportamiento de los sistemas de los órganos internos. 
A principios del renacimiento, surgieron nuevos desarrollos en la cultura, pero principalmente en la
medicina, con lo cual se retomaron fuertemente las investigaciones de los griegos y romanos
relacionadas con las prótesis En esta época se elaboraron prótesis de hierro, cobre, madera y acero
principalmente. Por 1512, circuló una historia sobre una persona que le faltaba un brazo la cual con su
prótesis podía quitarse el sombre o hasta firmar, esto fue registrado por un cirujano en un viaje por
Asia. [I.6] 
Para 1591 se desarrolló un trabajo muy importante y clave en el desarrollo sobre prótesis. El cual
establecía las bases experimentales y teóricas para el análisis del movimiento. Este trabajo fue
realizado por Galileo Galilei, quien tiempo después publicó un tratado titulado de Animalium Motivus
[I.7 y I.8]. Este tratado desarrollaba temas relacionados directamente con la Biomecánica de la marcha
y del salto humano. También se enfocó en insectos y algunos animales. 
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
Figura I.4.- Da Vinci, algunos estudios y notas sobre el cuerpo humano
Capítulo I 6
Ya para 1600, Giovanni Borelli dio a conocer un estudio precursor de la comprensión del
funcionamiento optimizado de palancas del sistema músculo esquelético [I.9]. Más tarde en el libro
Motu Animalium, se hace énfasis de la ventaja mecánica de los músculos que inician el movimiento
(Figura I.5) [I.10]. Mientras que por otro lado, Isaac Newton con su segunda ley proporcionó una
herramienta muy importante para el análisis cinético y cinemático del movimiento [I.11]. Todos estos
estudios lograron aumentar el conocimiento sobre el cuerpo humano y con el tiempo, todos los avances
en esta área fueron la base para lo que hoy se conoce como Biomecánica.
La Biomecánica abarca un área muy amplia de la ciencia y su aplicación más importante está
fundamentada en el ámbito deportivo, Lo anterior se fundamenta en la interacción de fuerzas,
realizadas en cada uno de los movimientos. Con lo cual es posible analizar de una mejor manera las
lesiones que sufren los atletas. Ahora bien, hay que resaltar que sí efectivamente los avances y la
mayoría de los análisis se realizan en atletas y se entiende bien que se puede corregir un problema en el
cual existe una exposición a lesiones más frecuentes y de mayor grado. Entonces en teoría, es más fácil
la corrección de problemas a una persona que no se somete a ese tipo de esfuerzo físico. Además, el
interés en los atletas se encuentra altamente conexo con el fondo económico que conlleva el valor de un
deportista. 
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
Figura I.5.- Publicación Motu Animalium
Capítulo I 7
No siempre los motivos por el cual una prótesis sea necesaria se deben a actividad física, ya que a
través de la historia, el ser humano ha estado expuesto a enfermedades y lesiones sufridas que no
permiten realizar una actividad cotidiana. Así como, lesiones de origen degenerativo o malformaciones
de nacimiento y desde luego damnificaciones por conflicto bélicos. Es por tal razón, que estos
problemas son los principales para el desarrollo de las prótesis, las cuales han resultado ser una valiosa
herramienta. La cual es capaz de restituir la acción que realizaba el miembro faltante. Sin embargo esta
sustitución se lleva a cabo en aspectos muy básicos, como es la comodidad, funcionalidad y apariencia
del paciente (Figura I.6) [I.12] 
Es difícil establecer con certeza en que momento el ser humano inicio con uso de las prótesis. Lo que sí
se sabe es que la evolución protésica es larga. Desde sus comienzos tal vez primitivos, pasando por las
épocas de los egipcios o la primera guerra mundial, donde el campo de la protésica evolucionó mucho,
ya que se inició a explorar más detalladamente esta área. Para así, dar paso a dejar de lado materiales
obsoletos como el caso del Hierro en las prótesis.
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Figura I.6.- Prótesis Flex-Foot para atletas
Capítulo I 8
La prótesis más antigua que se han encontrado data de la época de los egipcios, la cual fue hallada por
unos arqueólogos alemanes en el año 2000 (Figura I.7). Esta prótesis fue fabricada por medio de
madera y se sujetaba con correas de cuero a la pierna. Por loBedford, A. y K que era sólo una prótesis
estética. También se le realizaron análisis por medio de rayos X, lo cual reveló que hubo una
extirpación del dedo en cuestión. Sin embargo, ciertas marcas en la base de la prótesis indican que al
parecer funcionó de apoyo al caminar, lo cual ayudó a evitar que su sufriera una grave cojera [I.6].
Otro caso de una prótesis conocida es la del caso de Götz Von Berlichingene (Figura I.8). El cual
perdiera un brazo cerca de 1504, es un ejemplo claro de la forma en que se buscó de una manera lo más
viable posible implementar una prótesis que pudiera sustituir una deficiencia física, en este caso un
brazo. Mano de Hierro como se le conocía también a Götz Von Berlichingene podía hacer grandes
cosas con su mano ortopédica de Hierro y que era completamente funcional. Ya que Berlichingene
podía manejar las riendas de su caballo, empuñar su espada e incluso escribir [I.6].
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
Figura I.7.- Prótesis egipcia
Capítulo I 9
Al poder remplazar alguna parte del cuerpo, se ayudaba de una manera muy importante a las personas
que carecían de algún miembro y esto les ayudaba aque se pudieran realizar sus actividades cotidianas
con mayor facilidad. Sin embargo, es necesario aclarar que aunque el propósito de las prótesis es la de
auxiliar a las personas con amputación, no se puede dejar atrás el hecho de que en muchas ocasiones
los pacientes se veían afectados emocionalmente. Así que no sólo se trata de proveer a un paciente con
una prótesis, sino que también hay que trabajar en el ámbito psicológico con ellos, para que su
recuperación posterior a la intervención quirúrgica sea satisfactoria [I.13].
Como se puede observar durante el desarrollo de esta breve historia de las prótesis, la gran mayoría de
información está relacionada con el remplazo de extremidades. Donde siempre se está buscando
mejorar el estilo de vida y por qué no, mejorar el aspecto físico. Sin embargo, con el paso del tiempo se
han ido presentando nuevas necesidades. Por lo cual ya en estos tiempos existen un sin número de
modelos diferentes para cada parte del cuerpo. Claro esto proporciona la posibilidad de remplazar
elementos que antes no se hubiera pensado poder lograr; como articulaciones, estructuras óseas e
incluso remplazos de corazón. Los tiempos modernos han brindado la tecnología necesaria para lograr
hacer grandes avances en el área protésica. Pudiendo así, no solo mejorar el aspecto físico de una
persona con falta de algún miembro. Sino que ahora ya pueden regresar a sus actividades cotidianas,
sin tener complicaciones con el uso de las nuevas prótesis (Figura I.9).
Aunque tal vez el único inconveniente referente a la evolución tecnológica de las prótesis, es que aún
se está trabajando para que estos sistemas sean de mayor y más fácil acceso a todas las personas en el
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
Figura I.8.- Götz Von “mano de Hierro” Berlichingene
Capítulo I 10
mundo. Ya que son las prótesis por lo regular son bastante costosas y no todos los individuos tienen la
capacidad económica para adquirir de una prótesis de última generación. Teniendo que recurrir muchas
veces a prótesis de reuso, que en muchas ocasiones no son compatibles al 100% con el paciente y esto
podría causar serios daños a largo plazo.
En otro sentido de ideas, de manera general se puede establecer que las extremidades del cuerpo
humano se dividen en dos; superiores e inferiores. Las superiores son los brazos, los cuales están
unidos al tórax y las inferiores son las piernas las cuales se unen a la pelvis (Figura I.10)
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
Figura I.9.- Evolución de las prótesis
Capítulo I 11
Al desarrollar prótesis se toma en cuenta el desarrollo que se haya suscitado en la cirugía. Ya que los
dos se encuentran muy ligados, porque para adaptar una prótesis se depende completamente de que el
muñón sea adecuado. Con los avances quirúrgicos en amputaciones surge un interés en lo que es la
rehabilitación del paciente [I.14]. Todo empezó con la incursión de la famosa pata de palo, pero el
descubrimiento de nuevos materiales influyó en gran medida para la invención de los modelos ahora
conocidos, que son mucho más avanzados y de gran importancia (Figura I.11).
Si bien se encuentra establecido que por estragos de la guerra se amputaban miembros o se perdían por
esta misma circunstancia. En la Edad Media, igualmente se realizaron numerosas amputaciones
provocadas por la artillería pesada o por los castigos que se eran impuestos, lo que era muy común en
esa época [I.14]. En 1696, Pieter Verduyn desarrolló la primera prótesis por debajo de la rodilla sin
mecanismo de bloqueo. En base a este trabajo en 1800, el londinense James Potts realizó un diseño de
una pierna de madera la cual constaba de una articulación que se controlaba por tendones de cuerda de
tripa de gato que se ajustaba desde la rodilla al tobillo y su rodilla de acero la hacían muy resistente
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
Figura I.10.- Visualización de las extremidades
humanas
Extremidades 
Superiores
Extremidades 
Inferiores
Capítulo I 12
[I.6]. Sin duda una mejora considerable a la ya realizada por Pieter Verduyn.
Con el paso del tiempo, se desarrollaron avances en el área de la cirugía y en el uso de nuevos
materiales para las prótesis. Tal fue el caso de famoso aviador ingles Marcel Desoutter el cual perdió
una pierna en un accidente de avión y con ayuda de su hermano diseñaron lo que sería la primera
prótesis de Aluminio [I.15]. Con esto se da un nuevo salto hacia el diseño y elaboración de prótesis. Así
como, la aplicación de nuevos materiales facilitó la elaboración de prótesis y mejoró por mucho la
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
Figura I.11.- Prótesis de pierna del siglo XIX
Figura I.12.- Primera prótesis de pierna en Aluminio
Capítulo I 13
comodidad de utilizar una prótesis (Figura I.12).
El desarrollo del centro de rehabilitación, instituido a raíz de la Primera y Segunda Guerra Mundial, es
un lugar donde se atendía a las personas mutiladas. Gracias a estos sucesos se impulsó de manera
importante la investigación y desarrollo de la técnica protésica. Dando muy buenos resultados y
conceptos antes poco valorados como lo es la sujeción de las prótesis. De este modo, el nuevo enfoque
que se le daba a las prótesis, también dio lugar a tomar con mayor importancia el muñón. De esta forma
es posible el mejor contacto entre prótesis-muñón, logrando que la prótesis tenga un mejor
funcionamiento y el paciente un mayor control [I.16] (Figura I.13).
Es necesario considerar que no cualquier paciente puede ser candidato a este tipo de intervenciones.
Por lo que se deben tomar en cuenta diversos factores, como por ejemplo; el estado mental, la edad, si
presenta alguna enfermedad y más importante el nivel de amputación que la persona presenta, ya que
de esto depende la complejidad de la proterización. Porque en algunas ocasiones la persona deja de
usar la prótesis al no poder acoplar el uso de ella a su vida cotidiana [I.17]. Por otra parte, existe un
tema el cual desde tiempo atrás no ha sido tratado con el interés que se requiere y es él concerniente
con las articulaciones. Las articulaciones sufren muchas afectaciones, pero como el enfoque de las
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
Figura I.13.- Muñón y prótesis
Capítulo I 14
prótesis estaba más atribuido a las partes anatómicas faltantes que generalmente se atribuían al sistema
musculo-esquelético pues es por eso que las articulaciones no eran tomadas con mucho interés [I.1818].
La Artritis Reumatoide (AR), es la principal afección de origen articular. Es un padecimiento crónico,
el cual se presenta con síntomas que pueden generar grandes deformaciones de las articulaciones. Estos
síntomas son rigidez y fuerte dolor local. La Artritis Reumatoide es destructiva para las articulaciones
y comienza con un proceso proliferativo de la membrana sinovial, culmina con la erosión del cartílago
articular y con la destrucción el hueso adyacente [I.19].
I.3.- Prótesis de extremidad superior
Las extremidades superiores están enfocadas principalmente a la manipulación de objetos. Tomando en
cuenta lo anterior, se debe suponer que las prótesis deben de cumplir con este parámetro. Mejor dicho,
deben lograr manipular objetos al igual que lo hace la mano real. Por lo tanto, mejorar la calidad de
vida y facilitar las actividades habituales. Siempre cuidando el aspecto estético del individuo que la
utiliza. Sin embargo, en un principio no se podía lograr nada de esto, ya que estos remplazos se
desarrollaban la mayoría en madera y claro. Estos primeros implantes no poseían movimiento alguno o
si lo tenían era muy limitado.
Los remplazos de miembro superior se pueden clasificar en dos tipos de prótesis. Pasivas; las cuales
solo tiene la función de que se vean bienestéticamente aunque su función sea muy limitada y Activas;
las cuales suplen el funcionamiento requerido por el individuo, así que en este caso este tipo de prótesis
pueden realizar movimiento para imitar a la mano lo mejor que se pueda [I.20] (Figura I.8).
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
Figura I.14.- Ejemplo de prótesis activas y pasivas
Capítulo I 15
La prótesis de miembro superior requiere de tres funciones (motora, sensitiva y comunicativa) que son
básicas para la mano, que gracias al descubrimiento de nuevos materiales y a que el conocimiento en
esta área ha crecido constantemente se a podido lograr que los resultados en las prótesis de miembro
superior sean cada vez mejores. Estas prótesis no solo se enfocan a atender amputaciones o remplazos
como tal, sino que también conociendo la problemática que hay en ocasiones con la estructura ósea
como lo eran antes las fracturas incorrectamente consolidadas, trastornos congénitos etc.. Sin embargo
a pesar de ser la más frecuente, también se debían considerar los tejidos blandos ya que pueden
presentar defectos ocasionados por tumefacción (hinchazón) o cicatrices.
Una mala consolidación de una fractura en hueso humano puede presentar un engrosamiento anormal o
cambio de forma. Como consecuencia se puede llegar a limitar el movimiento del miembro. Así que
dichas afectaciones deben ser tratadas por especialistas en ortopedia, ya que ellos pueden proporcionar
el diagnóstico adecuado conforme a distintas pruebas [I.21]. Asimismo, conociendo bien el tipo de
lesión, fractura o amputación y dependiendo el caso, se puede colocar una órtesis. Que comúnmente
son colocadas de manera externa, con la finalidad de colaborar con la función de la parte afectada.
Como por ejemplo, si el problema es en el antebrazo, se puede colocar una prótesis que va soportada
del tronco para proporcionar estabilidad. Ahora bien, en este caso de prótesis los avances han hecho
que dichas prótesis se conviertan en dispositivos totalmente controlables por medio de señales
mioeléctricas, que incorporan unos electrodos [I.14]. Los cuales reaccionan a las señales musculares
producidas por la concentración muscular del muñón, realizando así varias funciones, como por
ejemplo el abrir y cerrar de la mano protésica (Figura I.15).
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
Figura I.15.- Prótesis mioleléctrica de mano
Capítulo I 16
I.4.- Artroplastia de miembro inferior
La artroplastia es una operación quirúrgica que tiene por objeto la reconstrucción de una articulación
destruida o anquilosada (sin flexibilidad o movimiento), mediante la resección de las partes articulares
y la interposición de una prótesis para recuperar la función y suprimir el dolor. Las intervenciones más
habituales que se realizan en las extremidades superiores como son las de hombro y codo (así como
miembros inferiores, cadera y rodilla) [I.22] (Figura I.16). Este procedimiento se realizó a mitad del
siglo XIX, ya que los cirujanos de la época pretendían proporcionar movilidad a las zonas afectadas
resecando la articulación dañada. De esta manera la propuesta que ellos presentaban para ese
tratamiento de las afecciones articulares fue la interposición de materiales propios de organismos
(grasa, músculo o piel) ó ajenos (bakelita o vidrio) sin embargo a pesar de ser funcionales no eran de
mucha utilidad [I.23].
El 22 de noviembre de 1826 a un paciente que padecía rigidez de cadera se le aplicó dicho
procedimiento, el cual se llevó acabo en el Hospital de Pensykvania con un gran número de estudiantes
y médicos, fue efectuado por John Rhea Barton y es el primer tratamiento del que se tiene
conocimiento [I.24].
Tratando de manera extensa un tema que casi no se tomaba en cuenta, y haciendo énfasis en la
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
Figura I.16.- Artroplastia de rodilla
Capítulo I 17
tolerancia de los tejidos blandos a los cuerpos extraños. Temistocles Gluck publica Autoplasty
Omplantation of foreing bodies y así diseñando una prótesis de marfil [I.25]. Asimismo su
contemporáneo Jules Péan dado su interés por las artroplastias y con el descubrimiento de los rayos X,
se dedica a diseñar prótesis de tibia y fémur [I.25].
I.5.- Artroplastia de miembro superior
En 1893 se realizó la primera artroplastia de hombro y fue realizada por Jules Péan el cual publica un
artículo sobre la reconstrucción de la articulación del hombro a través de una prótesis construida de
platino para el tratamiento de tuberculosis glenohumeral. Esta artroplastia consistía de una prótesis
total, con un sistema de movimiento el cual consistía de una bola de caucho endurecido [I.25]. Tiempo
después Neer introduce la prótesis parcial de cabeza de húmero con vástago (Figura I.17)
Posterior a las experiencias con prótesis de cadera, rodilla y hombro, utilizando el mismo modelo
conceptual, se realizan las primeras prótesis de codo en el año 1970. Las cuales al principio solo
poseían un grado de movimiento, flexo-extensión [I.20]. Hecha de silicona e interpuesta en el capo a la
vez que anclada en el brazo y los metacarpianos se realizó la primera prótesis de muñeca. Su
funcionamiento estaba dado por la propia elasticidad del material utilizado [I.26]. La primera de estas
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
Figura I.17.- Artroplastia de miembro superior
Capítulo I 18
prótesis fue diseñada por Meuli, la cual constaba de tres componentes; el elemento distal en forma de
cúpula fijada al segundo y tercer metacarpiano. Otra parte proximal que es fijada por medio de dos
barras al radio mediante cemento. Sin embargo, centrada sobre el segundo metatarsiano y una parte
intermedia de forma esférica en polietileno fija al componente radial [I.20] (Figura I.18).
I.6.- Endoprótesis de hombro
En los últimos años, la artrosis de hombro, la artritis reumatoide y claro, las fracturas de la cabeza del
humero han provocado que cada vez sea más frecuente la endoprótesis de hombro. La cual ha dado
muy buenos resultados ayudando a pacientes con mucho dolor o incluso inmovilidad del miembro.
Cabe destacar que es una cirugía que se lleva cabo en menor proporción que la de rodilla y cadera ya
que dicha articulación no carga mucho peso. Esta artroplastia logra muy buenos resultados aunque la
recuperación llega a ser un poco tardada y la movilidad no llega a ser completa. Sin embargo, el
principal problema que presenta esta prótesis total de hombro es que sufre aflojamientos en el
componente glenoideo. Así que en caso de luxación se debe considerar muy bien la cirugía, ya que la
posición de la cabeza humeral protésica es muy exigente [I.27] (Figura I.19).
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
Figura I.18.- Prótesis radiocarpiana
Capítulo I 19
Para utilizar una endoprótesis es importante conocer varios factores importantes, que pueden influir
mucho a la hora de realizar una artroplastia. Como por ejemplo; la anatomía quirúrgica, la descripción
de las técnicas quirúrgicas y los principales diseños de endoprótesis entre otros. El que el material de
las endoprótesis sea biológicamente compatible es de suma importancia. Ya que de no serlo el paciente
puede perder el miembro debido a una infección. En Brasil por ejemplo, estudian el aceite de una
planta biológicamente compatible. Lo cual, es de gran utilidad ya que con su ayuda se pueden
desarrollar nuevos materiales [I.28]. Por otra parte a la hora de la fijación de la prótesis es
recomendable hacerlo con más de una técnica, ya que este tipo de prótesis suele tener serios problemas
con la fijación al hueso glenoideo, tomando en cuenta que se debe estudiar con mucho cuidado la
articulación, para una mejorfijación con los tejidos blandos a la prótesis.
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
Figura I.19.- Endoprótesis de hombro
Capítulo I 20
I.7.- Planteamiento del problema
Desde tiempos inmemoriales el hombre ha dedicado mucho tiempo en el estudio del cuerpo humano.
Innumerables descubrimientos y desarrollos han sido inspirados por sus sutiles y complejos
movimientos, lo que ha llevado a que la gran mayoría de las invenciones mecánicas han sido inspiradas
en el funcionamiento del cuerpo humano. A la fecha existen materias especializadas dedicadas al
estudio del movimiento y comportamiento del cuerpo, como en el caso de la Biomecánica, otras más
que buscan corregir anomalías o defectos como en el caso de la Biónica, la cual con ayuda de
componentes artificiales intenta corregir dichos problemas, para así satisfacer las necesidades del ser
humano. Con la ayuda de la prótesis las personas que tenían algún problema físico, ya sea que hayan
sido causados por accidentes o porque así nacieron, han podido rehabilitarse y regresar a su vida
cotidiana. Empero a la fecha el principal problema de las endoprótesis es que no logran hacer que una
persona tenga el movimiento natural del cuerpo, ya que dichas prótesis aún son inestables y sobre todo
que en el caso particular de esta endoprótesis no se ha sometido a las pruebas necesarias para verificar
que el material es adecuado y soporta el trabaja diario del brazo.
Es por ello que se evaluará esta endoprótesis sometiéndola a cargas superiores de lo que puede realizar
el ser humano y en en diferentes ángulos para averiguar si la endoprótesis reversa es capaz de resistir
un uso extremo.
I.8.- Sumario
Diariamente desde hace ya algunos años se desarrollan nuevos diseños y herramientas, con la finalidad
de solucionar los problemas de salud presentes, se ha venido dando desde mucho tiempo atrás. Es sí
como, surgieron las primeras prótesis, que solo cumplían la necesidad estética dejando de lado que
fuese funcional. Con el descubrimiento de enfermedades que afectan a las articulaciones surge el
problema de reemplazar dicho elemento sin embargo se deben considerar que en muchas ocasiones el
material utilizado para estas prótesis no es el indicado para el uso diario que le da la persona a la que le
fue implantada la endoprótesis, ocasionando que tenga que ser intervenido quirúrgicamente. Y esto es
algo de lo que se busca evitar.
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
Capítulo I 21
1.9.- Referencias
1.- Ibarra, J., Diccionario de la Lengua Castellana, Ed. Real academia Española, pp. , 1791.
2.- Lisandro, P. y Moreno, H., Prótesis Robóticas, Departamento de Automática, Ingeniería electrónica
e Informática Industrial, pp. 1-6, 2006.
3.- Velásco, C., Arévalo, A., Córdoba, O., Low, C., Tipos de Prótesis y la Robótica, Programa de Ing.
Biomédica, pp. 5-10, 2011.
4.- Izquierdo, M., Biomecánica y bases neuromusculares de la actividad física y el deporte, Ed. Médica
Panamericana, pp. 4-9, 2008.
5.- Mompín, J., Introducción a la Bioingeniería, Ed. Marcombo, pp. 3-12, 1988.
6.- Norton K., Un breve recorrido por la historia de la protésica, InMotion, pp. 2-3, 2007.
7.- Galilei, G., Discorsi e Dimostrazioni Matematiche Intorno a due Nuove Scienze Attinenti
allaMecanica e i Movimente Locali, Ed. Elsevier, , 1638.
8.- Galilei, G., Azcárate, C. y Doncel, M. G., La nueva ciencia del movimiento, Ed. Publicaciones de
la Universidad Autónoma de Barcelona, pp. 182, 1988.
9.- Borelli, G. A., On the Movement of Animals, Ed. Springer, pp., 1989.
10.- Borelli, G. A., De Motu Animalium, Ed. Altera, pp., 1743.
11.- Bedford, A. y Kenneth, M. L., Mecánica de materiales, Ed. Pearson Educacion De Colombia, pp.
184, 2002.
12.- Gómez, J. L., Las prótesis; Restauración del individuo, Ciencia y Desarrollo, pp. 62-67, 2006.
13.- González, J. M., Gimeno, F., Flotats, G. y Olivera, C., Rehabilitación Domiciliaria;Principios,
Indicaciones y Programas Terapéuticos, Ed. Elsevier, pp. 232, 2005.
14.- Zambudio R., Prótesis, órtesis y ayudas técnicas, Ed. Elsevier, pp. 69-88 y 146, 2009.
15.- Marks, L. J. y Michael, J. W., Science, medicine, and the future; Artificial limbs, British Medical
Journal (BMJ), pp. 732-735, 2001.
16.- González, M. A., Cohí, O. y Salinas, F., Amputación de la Extremidad Inferior y Discapacidad;
Prótesis y Rehabilitación, Ed. Elsevier, pp. 41, 2005.
17.- Durante, P. y Pedro, P., Terapia Ocupacional en Geriatría; Principios y Práctica, Ed. Elsevier, pp.
202, 2004.
18.- Quintero, M., Monfort, J. y Mitrovic, D. R., Osteoartrosis; Biología, Fosopatología, Clínicay
Tratamiento, Ed. Médica Panamericana, pp. 86, 2009.
19.- Cañete-Crespillo, J. D. y García-Carrasco, M., Citocinas; Avances en Artritis Reumatoide, Ed.
Springer, pp. 55, 2000.
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
Capítulo I 22
20.- Miralles, R. C., Valoración del Daño Corporal en el Aparato Locomotor, Ed. Elsevier, pp. 173-188,
2001.
21.- Burgos, J., Fracturas Cirugía Ortopédica y Traumatología, Ed. Médica Panamericana, pp. 198,
1999.
22.- Morrey, F., Artroplastia; Reemplazos Articulares, Ed. Médica Panamericana, pp., 1994.
23.- Miralles, I. y Miralles, R. C., Biomecánica Clínica de las Patologías del Aparato Locomotor, Ed.
Elsevier, pp. 351-363 y 366, 2007.
24.- Mazón, A. y Paz, J., Artroplastias No Cementadas de Cadera, Ed. Universidad de Oviedo, pp. 17-
19, 1997.
25.- Callaghan, J. J., Rosenberg, A. G. y Rubash, H. E., The Adult Hip, Ed. Lippincott Williams &
Wilkins, pp. 7, 2007.
26.- Sociedad Española de cirugía ortopédica y traumatología, Manual de Cirugía Ortopédica y
Traumatología, Ed. Médica Panamericana, pp. 984, 2010.
27.- Almaguer, C., Navarro, R., Ruiz, J. y Brito, E., Investigación y Biomecánica de las artroplastias de
cadera, rodilla y hombro, XIX Jornadas canarias de trautalogia y cirugía ortopédica, pp. 59-60, 2005.
28.- Jesús-García, R., Endoprótesis en Tumores Óseos, Medwave, pp. 2, 2011.
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
Capítulo II
Marco Teórico
Aquí se revisan los 
aspectos técnicos 
más importantes, 
referente al estudio 
de la biomecánica. 
Se menciona 
también los 
diferentes tipos de 
endoprótesis que 
existen y son 
utilizados en la 
actualidad,
Capítulo II 24
II.1.- Fisiología del hombro
El hombro es el miembro de la extremidad superior que se une al tronco y al cuello, es la articulación
más móvil del cuerpo humano. Posee tres grados de libertad por lo cual le permite a dicho miembro
orientarse en cualquiera de los tres planos del espacio (Figura II.1) [II.1]
• El eje transversal.- Permite los movimientos de flexión y extensión realizados en el plano
sagital
• El eje anteroposterior.- Permite los movimientos de abducción y aducción realizados en el plano
frontal.
• El eje vertical.- Dirige los movimientos de flexión y extensión realizados en el plano horizontal.
• El eje longitudinal.- Se puede describir este cuarto eje de movimiento respecto al humero ya
que es el que le permite realizar movimientos de rotación interna y externa con respecto a su
propio eje.
Los tres planos ortogonales de referencia son perpendiculares entre ellos y se cruzan en un punto
Análisis Numérico Experimental de Prótesis Reversa de Hombro
Figura II.1.- Movimiento del hombro en los tres ejes principales
Eje vertical
Eje longitudinal
Eje anteroposterior
Eje transversal
Capítulo II 25
localizado en el centro del hombro, denominándose: (Figura II.2) [II.2]
• Plano sagital.- También conocido como para-sagital, ya que este plano pasa por el eje
longitudinal del cuerpo. Plano de flexión y extensión.
• Plano frontal.- También conocido como plano coronal, es paralelo al plano de apoyo dorsal.
Plano de aducción y abducción.
• Plano transversal.- Perpendicular al eje del cuerpo. Plano