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INSTRUMENTACION MEDICA IV

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BIOMECANICA Daniel Felipe Pimienta Sánchez [email protected] Germán Arturo Moreno López [email protected]

KEY WORDS: biology, biónica, physics, mechanics,

RESUMEN:

La Biomecánica es el cuerpo de conocimientos que, usando las leyes de la física y de la ingeniería, describe los movimientos efectuados por los distintos segmentos corporales y las fuerzas actuantes sobre estas mismas partes, durante las actividades normales de la vida diaria.

human body, diagnostic methods

1 MARCO TEORICO:

La biomecánica es una disciplina científica que tiene por objeto el estudio de las estructuras de carácter mecánico que existen en los seres vivos, fundamentalmente del cuerpo humano. Esta área de conocimiento se apoya en diversas ciencias biomédicas, utilizando los conocimientos de la mecánica, la ingeniería, la anatomía, la fisiología y otras disciplinas, para estudiar el comportamiento del cuerpo humano y resolver los problemas derivados de las diversas condiciones a las que puede verse sometido.

La biomecánica está íntimamente ligada a la biónica y usa algunos de sus principios, ha tenido un gran desarrollo en relación con las aplicaciones de la ingeniería a la medicina, la bioquímica y el medio ambiente, tanto a través de modelos matemáticos para el conocimiento de los sistemas biológicos como en lo que respecta a la realización de partes u órganos del cuerpo humano y también en la utilización de nuevos métodos diagnósticos.

La biomecánica está íntimamente ligada a la biónica y usa algunos de sus principios, ha tenido un gran desarrollo en relación con las aplicaciones de la ingeniería a la medicina, la bioquímica y el medio ambiente, tanto a través de modelos matemáticos para el conocimiento de los sistemas biológicos como en lo que respecta a la realización de partes u órganos del cuerpo humano y también en la utilización de nuevos métodos diagnósticos. Una gran variedad de aplicaciones incorporadas a la práctica médica; desde la clásica pata de palo, a las sofisticadas ortopédias con mando mioeléctrico y de las válvulas cardiacas a los modernos marcapasos existe toda una tradición e implantación de prótesis. Hoy en día es posible aplicar con éxito, en los procesos que intervienen en la regulación de los sistemas modelos matemáticos que permiten simular fenómenos muy complejos en potentes ordenadores, con el control de un gran número de parámetros o con la repetición de su comportamiento. La biomecánica se estableció como disciplina reconocida y como área de investigación autónoma en la segunda mitad del siglo XX en gran parte gracias a los trabajos de Y. C. Fung cuyas investigaciones a lo largo de cuatro décadas marcaron en gran parte los temas de interés en cada momento de esta disciplina.

Una gran variedad de aplicaciones incorporadas a la práctica médica; desde la clásica pata de palo, a las sofisticadas ortopédias con mando mioeléctrico y de las válvulas cardiacas a los modernos marcapasos existe toda una tradición e implantación de prótesis.

PALABRAS CLAVE:

biología, biónica, física, mecánica, cuerpo humano, métodos diagnosticos

ABSTRACT:

The Biomecánica is the body of knowledge that, using the laws of the physics and of the engineering, describes the movements effected by the different corporal segments and the forces performers on the same parts, during the normal activities of the daily life. The biomecánica is intimately tied to the biónica and uses some of his beginning, has had a great development in relation with the applications of the engineering to the medicine, the biochemistry and the environment, so much across mathematical models for the knowledge of the biological systems as regarding the accomplishment of parts or organs of the human body and also in the utilization of new diagnostic methods.

1.1 CIRCULACIÓN SANGUÍNEA: Históricamente uno de los primeros problemas abordados por el enfoque biomecánico moderno, resultó de intento de aplicar las ecuaciones de Navier-Stokes a la comprensión del riego sadddnguíneo.2 Aunque usualmente se considera a la sangre como un fluido newtoniano incompresible, esta modelización falla cuando se considera el flujo sanguíneo en las arteriolas o capilares. A la escala de esas

A great variety of applications incorporated into the medical practice; from the classic leg of stick, to the sophisticated ortopédias with control mioeléctrico and from the cardiac valves to the modern pacemaker there exists the whole tradition and implantation of prothesis.

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. conducciones, los efectos del tamaño finito de las células sanguíneas o eritrocitos individuales son significativos, y la sangre no puede ser modelada como un medio continuo. Más concretamente, cuando el diámetro del vaso sanguíneo es ligeramente mayor que el diámetro del erotrocito, entonces aparece el efecto Fahraeus–Lindquist y existe una disminución en la tensión tangente al vaso. Así a medida que el diámetro del vaso sanguíneo disminuye, los glóbulos rojos tienen que aplastarse a lo largo del vaso y frecuentemente sólo pueden pasar de uno en uno. En este caso, se da un efecto Fahraeus–Lindquist inverso y la tensión tangencial del vaso se incrementa.

(2) Donde: , es la tensión o cargas del músculo. , la velocidad de contracción. , es la máxima carga o tensión que se puede producir en el músculo. , son dos constantes que caracterizan el músculo.

2.3 TECNOLOGIA: La tecnología biomecánica se refiere tanto a dispositivos artificiales fabricados a partir de los resultados encontrados a partir de la investigación biomecánica, como a los instrumentos y técnicas usados en la investigación y adquisición de nuevos conocimientos en en el ámbito de la biomecánica.

2 ECUACIONES: 2.1 HUESOS: Otro desarrollo importante de la biomecánica fue la búsqueda de ecuaciones constitutivas que modelaran adecuadamente las propiedades mecánicas de los huesos. Mecánicamente los huesos son estructuras mecánicas anisotropas, más exactamente tienen propiedades diferentes en las direcciones longitudinales y transversales. Aunque sí son transversalmente isótropos, no son globalmente isótropos. Las relaciones de tensión-deformación en los huesos pueden ser modeladas usando una generalización de la ley de Hooke, para materiales ortotrópicos:

2.4 ÓRGANOS ARTIFICIALES: Son dispositivos y tejidos creados para sustituir partes dañadas del organismo. El análisis de un órgano artificial, debe considerarse en la construcción de estos aspectos tales como materiales que requieren unas particulares características para poder ser implantados e incorporados al organismo vivo. Además de las características físicas y químicas de resistencia mecánica, se necesita fiabilidad, duración y compatibilidad en un ambiente biológico que siempre tiene una elevada agresividad. “El mayor problema que se plantea la construcción de una prótesis se refiere a la relación entre el biomaterial y el tejido vital en el que se inserta ya que es muy importante el control de las reacciones químicas de superficie y microestructura, el tejido crece y tiende a incorporar incluso a nivel de los poros de la rugosidad superficial, el material implantado.

(1) Donde , existiendo sólo cinco constantes independientes que son función de: , los módulos de Young en longitudinal y transversal. , los dos coeficientes de Poisson.

dirección

2.5 PRÓTESIS: La sustitución de órganos por otros artificiales, constituye la frontera avanzada de la ingeniería biónica. Dejando aparte las prótesis ortopédicas cuyo empleo ha tenido un enorme desarrollo gracias a la aplicación de nuevos materiales y técnicas de cálculo, así como a los avances en las técnicas de implantación por lo que cada día es más amplia la gama de posibilidades de sustitución de órganos conocidos y menos conocido, lo cual resulta de gran ayuda para pacientes y médicos un ejemplo de esto es la fabricación de bombas de insulina para emplear en personas diabéticas.

, el módulo de elasticidad transversal.

2.2 TEJIDO MUSCULAR: Existen tres tipos de músculo: Músculo liso (no estriado): El estómago, el sistema vascular, y la mayor parte del tracto digestivo están formados por músculo liso. Este tipo de músculo se mueve involuntariamente. Músculo miocardíaco (estriado): Los cardiomiocitos son un tipo altamente especializado de célula. Estas células se contraen involuntariamente y están situadas en la pared del corazón, actúan conjuntamente para producir latidos sincronizados. Músculo esquelético (estriado): Es un músculo que desarrolla un esfuerzo sostenido y generalmente voluntario. Un modelo ampliamente usado para este tipo de músculo, es la ecuación de Hill que puede simular adecudamente el tétanos:

2.6 ELECTROMIOGRAFÍA: Análisis de la actividad eléctrica de los músculos. Plantillas instrumentadas: registro de las presiones ejercidas por el pie durante la marcha. Baropodometro electrónico: Pasillo instrumentado con sensores de presión que registran las presiones plantares durante diferentes gestos de locomoción (marcha, trote, carrera, etc.).

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. Plataformas de fuerza: plataformas dinamométricas diseñadas para registrar y analizar las fuerzas de acción-reacción y momentos realizados por una persona durante la realización de una actividad determinada. Estudia las propiedades mecánicas, cinéticas y cinemáticas de los organismos, tomando en cuenta sus características morfo-funcionales.

2.7 SENSORES: Para intervenir sobre cualquier órgano, se requiere el control y la medición continua de la intensidad del fenómeno. Los sensores que constituyen el primer elemento del sistema, son dispositivos que permiten detectar los fenómenos físicos y químicos, ofreciendo seriales de salida proporcionales a la intensidad de las entradas. Las señales de entrada de muy diversos tipos y convertidas en la mayoría de los casos en magnitudes eléctricas ( ejemplo, variaciones de presión y variaciones de resistencia eléctrica ) corresponden a variaciones de temperatura, de deformación muscular en los esfuerzos, de presión venosa o arterial, etc. Los sensores pueden ser electrodos directos capaces de captar las señales procedentes de actividades celulares, o pueden consistir en detectores de concentraciones de sustancias químicas.

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2.8 ESTIMULADORES Los estimuladores artificiales son utilizados para activar ciertos órganos o funciones que, aun estando sanos no funcionan como es debido a causa de lesiones del sistema nervioso central; según Claude Ville: “Una función extremadamente delicada ,es la que se lleva a cabo para estimular el músculo cardiaco a través de un aparato marca pasos, que permite regular los latidos cardiacos al proporcionar desde el exterior impulsos de corriente y que resulta vital en algunos casos de arritmias cardiacas.” El marca pasos consta de una batería, un generador y un modulador de impulsos eléctricos y un electrodo que transmite los impulsos al tejido cardiaco. Existen muy diversos tipos de marca pasos (en la actualidad se cuenta con más de 200 tipos diferentes) Los impulsos eléctricos generados por el aparato pueden ser se frecuencia fija, es decir producidos a una frecuencia predeterminada, sin ninguna relación con la actividad del corazón, pero en la actualidad se emplean mas los marcapasos a demanda, o sea, mediante impulsos desencadenados cuando el propio aparato reconoce un fallo en el ritmo cardiaco normal.

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CONCLUSIONES: •

La Biomecánica a pesar de hacer uso de leyes elementales de la Física, nos arroja información muy útil sobre el funcionamiento de las estructuras óseas y musculares del cuerpo humano

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La Biomecánica puede emplearse para comprender las condiciones de funcionamiento de nuestro cuerpo en una gran gama de situaciones cotidianas. • Su campo de aplicación es vasto y su utilidad en muchos aspectos de nuestro quehacer diario es muy importante, a pesar de ello la Física que necesitamos es elemental. Esto último es notable y cabe remarcarse, pues muestra que con poco y una buena dosis de imaginación se puede hacer mucho.

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. [2]”FISIOLOGIA ARTICULAR, VOL. 3: TRONCO Y RAQUIS”, 9788479033767, Ed. panamericana

ENSAYO: En el mundo del conocimiento humano podemos destacar una ciencia que se encargan del estudio tanto del movimiento como de las fuerzas que inciden sobre el cuerpo humano como lo es la biomecánica. La biomecánica interviene en el desarrollo de implantes y órganos artificiales. Se han desarrollado prótesis mioeléctricas para extremidades de enfermos amputados. Así mismo interviene en la prevención de lesiones, mejora del rendimiento, describe y mejora la técnica deportiva, además de desarrollar nuevos materiales para la rehabilitación. Con el progreso de la tecnología con respecto a la biomecanica y los avances en el área de la Inteligencia Artificial, no pasara mucho tiempo antes que el hombre pase del umbral de crear un Organismo Bio-ElectroMecánico, con capacidades de razonamiento y resolución de problemas.

Bibliografía: REVISTAS “revista de biomecánica”, folio 6586, Ed. Instituto de biomecánica de valencia [2] “ortoprotesica”, No 60, Ed. Federación española de ortesistas protesistas [1]

“Revista

colombiana de ortopedia y traumatologia”, Dr. Guillermo Alonso Avila [4] “Revista Cubana de Ortopedia y Traumatología”, RNPS_1874-ISSN 1561-3100, Ed. Ciencias medicas [5] “ortho2000”, Fisioterapista, ED. Viale E. Forlanini, 65 20134 Milano [6] “Revista de Biomecánica, 2003; 38”, 15755622, Ed. Alemany Mut, S.; Nácher Fernández, B. [3]

LIBROS: [1]“BIOMECANICA BASICA DEL SISTEMA MUSCULOESQUELETICO”, 9788448606350, Ed. Interamericana

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