Propuesta

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PROPUESTA PROYECTO FINAL
Maria Camila Londoño, Daniela Campo, Catalina Franco y Stiven Gómez
marca.londono@uao.edu.co
daniela.campo@uao.edu.co
catalina.franco@uao.edu.co
stiven.gomez@uao.edu.co
I. INTRODUCCIÓN
La amputación transtibial es la más frecuente de las amputaciones de
extremidades inferiores, donde se pierde tibia, peroné, tobillo y pie,
pero se preserva la articulación de la rodilla. Después de la
amputación, se deberá contar con la mejor prótesis adaptada a las
necesidades del paciente, y es aquí cuando llega la principal dificultad
de la protetización, la cual consiste en adaptar de forma confortable el
encaje para conseguir una deambulación con la máxima estabilidad, el
menor coste energético y la apariencia más normal posible [1,2].
Como primer paso, para una correcta selección de prótesis, se deben
analizar diversos factores como lo son la condición física, salud, el
nivel de amputación, y exigencia que le dará el paciente dependiendo
de su entorno privado y laboral. El ortopedista a cargo será el
encargado de asesorar sobre todos estos aspectos al usuario, logrando
así, llegar a la selección ideal de acuerdo con sus necesidades [2].
En segundo lugar, una vez realizada la evaluación adecuada por el
ortopedista se procede al diseño particular de cada usuario. Las
prótesis transtibiales están compuestas principalmente por dos
elementos: El socket y el pie protésico. Siendo estos los que tendrán
distinto tamaño, forma, material, resistencia y mecanismos, cubriendo
así las características requeridas por el paciente [3].
Para finalizar el proceso, y una vez entregada la prótesis al paciente,
éste tendrá que someterse a una serie de fases, las cuales serán
necesarias para aprender a dominar por completo su nueva
extremidad. Entre ellas se encuentra aprender a colocarse y quitarse
correctamente la prótesis con instrucciones para aumentar
progresivamente la tolerancia a su uso, intensificar los ejercicios de
equilibrio sobre las prótesis antes de intentar cualquier tipo de marcha
(permanecer de pie, transferir el peso corporal a la prótesis y
mantener el equilibrio), corrección postural frente al espejo, balanceos
laterales y antero posteriores y adiestrar la distribución del peso
corporal sobre ambos miembros inferiores [4].
Existe una clasificación (Nivel “K”) que depende en gran medida de
la capacidad o potencial para caminar y desplazarse por el entorno
que tiene un individuo. Dependiendo de ello se determina cuáles
serán los componentes protésicos que mejor se adaptan a su
extremidad residual y necesidades. El nivel K0 es asignado a
pacientes que no tienen la capacidad o potencial para transferirse con
o sin asistencia de forma segura, estas personas no son elegibles para
una adaptación protésica. Por otro lado, los sujetos que son
designados con un grado K1 y K2 tienen la capacidad para deambular
sobre superficies planas o atravesar barreras ambientales de bajo
nivel, tales como bordillos, escaleras o superficies irregulares. De
igual forma las personas con un nivel K3 y K4 tienen la habilidad
para realizar una marcha con una cadencia variable y actividades que
exigen el uso de una prótesis más allá de la simple locomoción. Para
finalizar, cabe resaltar que un paciente con clasificación K4 tiene la
capacidad para la deambulación que excede las competencias básicas,
e incluye actividades de alto impacto, típico de las exigencias
protésicas del niño, adulto activo o un atleta [5].
Los pies protésicos van desde los básicos que son fijos, los articulados
que permiten el movimiento en una o más direcciones o de respuesta
dinámica, que son los que acumulan y devuelven energía al caminar,
dando una sensación de “empuje”, algo muy parecido a lo que hace el
pie humano. En primer lugar, tenemos los pies no articulados,
también conocidos como SACH, los cuales están compuestos por una
quilla rígida y una cuña de material elástico. La flexibilidad del talón
depende de la dureza de la cuña y la deformación del material que
amortigua el impacto disipando la energía del choque (simulando la
flexión plantar). Las principales desventajas radican en que no
permite la dorsiflexión y aumenta la carga en el lado sano; no se
adapta bien en terrenos irregulares y tiene un promedio de vida de 2
años dependiendo sus cuidados. En segundo lugar, se encuentran los
pies articulados, estos, constan de una quilla y una articulación de un
eje a nivel del tobillo, cuya movilidad es controlada por uno o dos
topes de goma de distinta densidad. A diferencia del anterior, este
modelo puede adaptarse al terreno irregular siendo capaz de absorber
las cargas rotacionales y disminuir las fuerzas aplicadas al miembro
contralateral. Finalmente, están los pies dinámicos, que imitan la
estructura anatómica del pie. Este tipo diseño protésico amortigua el
impacto debido a la deformación de los materiales elásticos, además
proporciona una dorsiflexión y pronosupinación, esto le permite
adaptarse en cada momento a los requerimientos de la marcha, gracias
a todas sus características le es posible ajustarse al terreno irregular,
absorbe las cargas rotacionales y disminuye las fuerzas aplicadas al
otro miembro [6].
Palabras clave: Prótesis, amputación transtibial, pie dinámico.
II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
A. DETECCIÓN DE LA NECESIDAD
La necesidad detectada es que los atletas de alto rendimiento puedan
seguir ejerciendo su actividad física después de un evento que haya
dejado como resultado una amputación transtibial.
B. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
Las prótesis adecuadas para atletas de alto rendimiento tienen costos
que en muchos casos sobrepasan los 12.000 euros[7]. Estas prótesis
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deben garantizar un patrón adecuado para llevar a cabo desde una
actividad que requiere un mínimo esfuerzo, hasta una actividad de
alta exigencia como correr. El patrón consiste en la acción de resorte,
el despegue del suelo que propulsa la prótesis hacia la fase de
oscilación de la marcha, y después se repite; el pie de la prótesis debe
proporcionar un “buen retorno de energía", es decir, que un alto
porcentaje de la energía empleada, cuando el usuario camina hacia
adelante, es almacenada dentro del sistema del pie y después
retornada en cada paso [8].
Según un estudio realizado por el DANE, el 80% de las personas con
discapacidad son de estrato 1, de estos, el 64% no recibe ingresos
económicos y el 22% recibe menos de 500.000 pesos mensuales. En
el mismo estudio se expone que de las personas con discapacidad, el
11% son deportistas y el 50,2% presentan dificultades para caminar,
correr y saltar [9].
Según lo estipulado en el Artículo 41 del Plan Obligatorio de Salud,
este cubre las prótesis y ortesis ortopédicas y otras estructuras de
soporte para caminar, siendo excluidas todas las demás[9].
Entendiendo que los deportistas de alto rendimiento hacen parte de la
categoría K4, requieren de una prótesis que cumpla las exigencias de
su estilo de vida. El inconveniente es que las eps otorgan prótesis de
tipo K1 y K2, para asegurar que el paciente por lo menos pueda
desplazarse; y si es de bajos recursos económicos no va a poder
comprar una de mayor categoría.
Consolidando la información anterior, se resalta que la mayoría de las
personas que necesitan prótesis son de estratos socioeconómicos
bajos, por lo que no tienen recursos para adquirir dispositivos como
prótesis más sofisticadas de las que la eps le puede brindar. En el caso
de atletas de alto rendimiento que se encuentren en este grupo de
personas de estratos bajos, significa renunciar a su actividad deportiva
porque las prótesis convencionales no tienen sistemas adecuados para
correr. Partiendo de lo anterior, la necesidad identificada es el diseño
de una prótesis transtibial de bajo costo, que aumente las
posibilidades de adquisición por parte de personas de bajos recursos;
y que sea apropiada para realizar actividades de alta exigencia como
correr; poresto, debe de tener un sistema adecuado de amortiguación,
almacenamiento y retorno de energía.
III. PROPUESTAS ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN
A. ALTERNATIVA 1
Se propone diseñar una prótesis que atienda las necesidades de los
pacientes con clasificación funcional k4, la idea es que sea un pie tipo
hoja de resorte de respuesta dinámica, lo que le permite almacenar
energía en el impacto y disponerla como impulso para el movimiento;
el socket que lo acompaña se ajusta por succión al muñón y se
conecta al pie por medio de una articulación. El pie tiene una forma
de “c” alargada, la parte más plana está unida a una base con la forma
de la planta del pie humano que pretende dar una mayor estabilidad.
Figura 1. Alternativa vista ortogonal
Figura 2. Alternativa 1 vista lateral
B. ALTERNATIVA 2
La alternativa número dos se basa en realizar una prótesis con un pie
protésico de respuesta dinámica, el cual está dirigido a pacientes de
clasificación funcional K3 y superiores. Con el objetivo de cubrir las
necesidades funcionales y deportivas, esta alternativa cuenta con un
pie que gracias a su forma y su doblez funciona como un resorte que
le permite al usuario desarrollar actividades como correr y saltar.
Adicionalmente, se propone que tenga un socket que se ajuste por
medio de succión al muñón para permitir una mejor sujeción al
usuario.
Figura 3. Alternativa 2
C. ALTERNATIVA 3
La alternativa 3 es una prótesis con resorte en el talón que ayuda con
la amortiguación y genera un mayor impulso, facilitando a los
deportistas a realizar sus ejercicios con facilidad. Adicionalmente,
esta prótesis contará con un socket que le permita ajustarse al muñón
a través de la succión.
Figura 4. Alternativa 3
D. SELECCIÓN DE ALTERNATIVA
En las tablas 1 y 2 se muestra el proceso de selección que se llevó a
cabo para elegir la solución más viable de acuerdo con los criterios
establecidos para evaluar dichas alternativas. La forma de calificación
se basó en un método comparativo donde se toma como referencia
una de las opciones y se califica una por una las demás propuestas.
Cuando la alternativa en comparación es mejor que la referencia en
determinado criterio se asigna un “+”; cuando es peor que la
referencia se asigna un “-”; y cuando es igual que la referencia se
coloca una “s”. Al final la alternativa con mayor número de “+” es la
que pasa como referencia a la siguiente ronda para ser calificada
contra otra propuesta.
Tabla 1. Selección de alternativas 1
No. Criterios deselección
Concepto
Alternativa 1 Alternativa 2
Comparación
Alternativa 2
contra la 1
(referencia)
1 Costo
Requiere menos
material
Requiere más material -
2 Peso del equipo
Igual número de
componentes
Igual número de
componentes
s
3 Cantidad deenergía almacenada
Mayor distancia entre la
articulación y la base
Menor distancia entre la
articulación y la base -
4 Durabilidad Hoja de resorte en C Hoja de resorte en S -
Suma + 0
Suma - 3
Suma s 1
Evaluación neta -3
¿Continuar? SI NO
Tabla 2. Selección de alternativas 2
No. Criterios deselección
Concepto
Alternativa 1 Alternativa 3
Comparación
Alternativa 3
contra la 1
(referencia)
1 Costo Diseño complejo Diseño simplificado +
2 Peso del equipo
Tiene más
componentes
Tiene menos
componentes
-
3
Cantidad de
energía
almacenada
Igual almacenamiento
de energía
Igual almacenamiento
de energía
-
4 Durabilidad
Lámina con mayor
durabilidad
Resorte se desgasta
más rápido
-
Suma + 1
Suma - 2
Suma s 1
Evaluación neta -1
¿Continuar? SI NO
Finalizado el proceso de evaluación se determina que la alternativa
ganadora es la número 1 ya que en comparación con las demás
cumple de mejor manera con los criterios establecidos y se espera así
que su diseño tenga un mejor desempeño frente a los otros
propuestos.
IV. METODOLOGÍA
Para el desarrollo del proyecto se utilizó como base el libro “Diseño
Biomecánico” del profesor Oscar Campo, el cual permitió seguir una
metodología durante el proceso de diseño, la cual será descrita paso a
paso a continuación.
A. DETECCIÓN DE UNA NECESIDAD
Lo primero que debe realizarse es detectar una necesidad, ya que sin
necesidad no habría un problema y por ende no se desarrollaría una
solución. La necesidad es algo que una persona o varias solicitan pero
que aún no se le ha encontrado solución para ser suplida. En este
caso, y recapitulando brevemente, la necesidad va directamente
relacionada con un paciente que sufrió una amputación transtibial y es
deportista de alto rendimiento, por lo tanto, solicita una herramienta
que le permita continuar con su desempeño como atleta y además que
se ajuste a sus recursos.
B. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Y ANÁLISIS
La formulación del problema es la etapa donde se plasma la idea de
investigación. Su desarrollo comprende la creación de límites del
proyecto y fija su horizonte. Para una necesidad pueden existir
diferentes problemas, en este caso, el problema va directamente
relacionado con las propiedades de las prótesis actualmente
entregadas por las EPS, ya que no cumplen con los requerimientos
mínimos que solicitan los deportistas de atletismo; por ende, es
necesario el diseño de una prótesis que cumpla con las
especificaciones antes mencionadas y además, sea asequible.
Adicionalmente, en este paso serán generadas tres alternativas de
solución que puedan mitigar el problema planteado anteriormente.
Las alternativas incluyen dispositivos de pies protésicos los cuales
varían principalmente por sus materiales de fabricación y diseños,
siempre enfocados en poderse utilizar en paradeportistas con
clasificación funcional K4. Estas soluciones son sometidas a un
análisis que permita la elección de la opción más viable y acorde con
el planteamiento del problema.
C. SÍNTESIS DE SOLUCIÓN
Finalizado el análisis anteriormente mencionado, se inicia el
desarrollo de la solución seleccionada definiendo las dimensiones del
dispositivo, sus materiales, las partes que lo compondrán, y las
propiedades que lo limitan para contribuir con el diseño el cual debe
cumplir con las especificaciones requeridas. En esta etapa se detalla
más a fondo cómo sería la solución, esto con el fin de obtener los
datos necesarios para continuar con el prototipado.
D. PROTOTIPADO
En esta sección, y gracias a la información recolectada en el paso
anterior, se realiza junto con el programa SolidWorks el prototipo que
será sometido a la prueba de esfuerzos para así determinar si los
materiales y dimensiones definidas cumplen con las especificaciones
propuestas, de lo contrario, será necesario el uso de análisis de
optimización, el cual permite hallar las características adecuadas sin
sobrepasar los límites que proporcionan los requerimientos
solicitados.
V. RESULTADOS Y SÍNTESIS DE SOLUCIÓN
A. DIVISIÓN DE SUBSISTEMAS
A partir de la solución seleccionada, se procede a realizar la división
por subsistemas, donde se indica que se diseñará la prótesis en su
totalidad. En la figura 5 puede observarse el diagrama.
Figura 5. División de subsistemas
B. DIMENSIONES DE LA SOLUCIÓN
Tomando como referencia el manual Ossur Master de pies protésicos,
se utilizaron las dimensiones de los dispositivos comerciales para el
diseño de la solución la cual fue modelada en SolidWorks. La
distancia entre la pirámide y la planta del pie tiene un total de 222
mm, por lo tanto, se utilizó este valor para ajustar la escala del croquis
del programa y así, mediante la herramienta imagen de croquis se
calcularon las demás medidas [10].
Figura 6. Modelo comercial
Tabla 3. Dimensiones de la solución
Medida Valor
Largo planta del pie 252.44 mm
Altura pie 222 mm
Altura talón 10 mm
Altura pirámide 18.83 mm
Altura articulación 78.92 mm
Altura encaje 359.17 mm
Ancho planta del pie 54.3 mm
C. SELECCIÓN DE MATERIALES
En esta sección se seleccionará el material del pie protésico, buscando
que cumpla las condiciones de propiedades mecánicas las cuales le
confieren la deformación adecuada para generar el movimiento sin
llegar a la deformación plástica. Adicional, es necesarioverificar que
el material elegido cumpla con el objetivo del proyecto, el cual es
desarrollar una prótesis de bajo costo. En la tabla 4 se pueden apreciar
las propiedades mecánicas de los materiales las cuales fueron
extraídas del programa Granta.
Tabla 4. Selección de materiales
# Criterios deselección
Concepto
ABS Nylon 6 Madera deroble
Aleación
de titanio
Fibra de
carbono
1
Resistencia a
la compresión
(MPa)
39,2 - 86,2 46 - 82 68,2 - 83,3 680 - 1190
4900 -
5000
2
Módulo
elástico
(GPa)
2,07 - 2,76 4 - 5 20,6 - 25,2 110 - 120 370 - 390
3
Límite
elástico
(MPa)
34,5 - 49,6 600 - 1050 43,2 - 52,8 701 - 1090
2400 -
2410
4
Costo
(COP/Kg)
6600 -
7700
12700 -
14200
25700 -
41500
87200 -
94100
202000 -
403000
5
Resistencia a
la tracción
(MPa)
37,9 - 51,7 600 - 1050 133 - 162 763 - 1190
2400 -
2410
6
Densidad
(Kg/m3)
1030 -
1060
1130 -
1150
850 - 1030
4430 -
4790
1800 -
1840
Desventajas
Los valores
de sus
propiedades
son muy
bajos en
comparación
con el resto
de materiales
Posee un
módulo
elástico muy
bajo
Posee bajo
límite
elástico,
resistencia a
la tracción y
densidad,
siendo la
última la
menor entre
los
materiales
Alto costo
Muy alto
costo
Ventajas Bajo costo
Bajo costo y
propiedades
de valores
aceptables
Valores
aceptables de
módulo
elástico y
resistencia a
la
comprensión
Muy buenas
propiedades
mecánicas
Excelentes
propiedades
mecánicas
¿Continuar? NO SI NO NO NO
Después de analizar las propiedades de los cinco materiales, se
definió que el Nylon 6 debido a sus características y bajo precio es la
mejor alternativa de solución.
D. MODELO SOLUCIÓN EN SOLIDWORKS
A continuación se muestra la versión de la solución elegida modelada
en el programa SolidWorks.
Figura 7. Modelo solución vista isométrica
Figura 8. Modelo solución vista lateral
VI. CONCLUSIÓN
Se evaluaron diversas opciones para la fabricación de una prótesis
dinámica de bajo costo para los deportistas que acaban de sufrir un
evento, el cual les ha dejado como resultado una amputación
transtibial y su seguro médico no puede costear los altos precios de
las prótesis nivel K4 que son las ideales para estas personas. En
primera instancia se presentaron 3 soluciones, las cuales cuentan con
distintos mecanismos y materiales con el fin de hallar la mejor opción
que se ajuste a sus necesidades. Por consiguiente, se evaluaron estas
propuestas y al final dio como resultado que la alternativa 1 era la
más viable. Después de esto, se analizaron las tablas de propiedades
mecánicas de los materiales para encontrar el más óptimo,
contrastandolo con su costo en el mercado y costo de fabricación.
Para finalizar, y con todos los resultados obtenidos podemos concluir
que el material Nylon 6 es apto para el diseño, puesto que cumple con
todos los requerimientos necesarios y al mismo tiempo comparado
con otras prótesis del mercado no genera costos tan elevados de
fabricación.
VII. BIBLIOGRAFÍA
[1]"Amputación Transtibial - Ortopedia Jens Muller", Ortopedia Jens
Muller, 2021. [Online]. Available:
http://ortopediajensmuller.com/servicio-de-fabricacion/protesis-de-mi
embro-inferior/transtibial/. [Accessed: 07- May- 2021].
[2]Ottobock.es, 2021. [Online]. Available:
https://www.ottobock.es/protesica/informacion-para-amputados/trata
miento-protesico/. [Accessed: 07- May- 2021].
[3]"Prótesis transtibial, de Protésica S.A.S", Catalogodelasalud.com,
2021. [Online]. Available:
https://www.catalogodelasalud.com/ficha-producto/Protesis-ortopedic
as-para-miembro-inferior-por-debajo-de-la-rodilla+125469.
[Accessed: 07- May- 2021].
[4]Y. Govantes Bacallao, C. o Alba Gelabert and A. Arias
Cantalapiedra, "Protocolo de actuación en la rehabilitación de
pacientes amputados de miembro inferior", Medigraphic.com, 2021.
[Online]. Available:
https://www.medigraphic.com/pdfs/revcubmedfisreah/cfr-2016/cfr161
d.pdf. [Accessed: 07- May- 2021].
[5]Gpc.minsalud.gov.co, 2021. [Online]. Available:
http://gpc.minsalud.gov.co/gpc_sites/repositorio/conv_637/gpc_ampu
tacion/gpcamputacion_socializacion_08052015.pdf. [Accessed: 08-
May- 2021].
[6]"PIE ARTICULADO, NO ARTICULADO Y DINÁMICO... |
Mediprax", Aparatosortopedicos.com, 2021. [Online]. Available:
https://aparatosortopedicos.com/diferencias-entre-pie-articulado-no-ar
ticulado-y-dinamico-para-protesis-de-miembro-inferior/. [Accessed:
08- May- 2021].
[7]A. VIVO et al., "El alto precio de las prótesis, una gran barrera
para los discapacitados a la hora de hacer deporte", LaSexta, 2021.
[Online]. Available:
https://www.lasexta.com/noticias/sociedad/alto-precio-protesis-gran-b
arrera-discapacitados-hora-hacer-deporte_20140628572643c36584a8
1fd883f3ef.html. [Accessed: 08- May- 2021].
[8] Scott Sabolich, Prosthetic Primer: Putting Your Best Foot
Forward. InMotion, Volume 10. Disponible en:
http://www.amputeecoalition.org/spanish/inmotion/nov_dec_00/prost
h.html
[9] MINSALUD. “Sala situacional de Personas con Discapacidad”.
2017. Disponible en:
https://www.minsalud.gov.co/sites/rid/Lists/BibliotecaDigital/RIDE/D
E/PES/presentacion-sala-situacional-discapacidad-2017.pdf
[10]Media.ossur.com, 2021. [Online]. Available:
https://media.ossur.com/image/upload/v1614329561/product-docume
nts/es-es/PN20221/catalogs/PN20221_Pro_Flex_XC_Torsion.pdf.
[Accessed: 09- May- 2021].