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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ADITAMENTO ORTÉSICO DINÁMICO PARA PREVENCIÓN DEL SÍNDROME DE MANO CAÍDA

KAREN ANDREA FIQUE MARTÍNEZ OSCAR ANDRÉS APONTE MURCIA

UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA DE DISEÑO & AUTOMATIZACIÓN ELECTRÓNICA. BOGOTA D.C 2008

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN ADITAMENTO ORTÉSICO DINÁMICO PARA PREVENCIÓN DEL SÍNDROME DE MANO CAÍDA

KAREN ANDREA FIQUE MARTÍNEZ OSCAR ANDRÉS APONTE MURCIA

Proyecto de grado

Director de Proyecto PEDRO FERNANDO MARTÌN GOMEZ M.Sc., Ingeniero Mecánico.

UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA DE DISEÑO & AUTOMATIZACIÓN ELECTRÓNICA. BOGOTA D.C 2008

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

1

1. MARCO TEÓRICO

2

1.1.REGIONES ANATÓMICAS 2

1.1.1. Nervios periféricos 2

1.2. FISIOPATOLOGÍAS 8

1.2.1. Fisiopatología de los nervios periféricos 8

1.2.2.Consecuencias de la lesión nerviosa periférica 10

1.2.3.Fisiopatología de la limitación y/o rigidez articular y de la anquilosis 12

1.3. FISIOTERAPIA PARA LA PERVENCIÓN Y EL TRATAMIENTO. 15

1.3.1. Fisioterapia en la prevención y tratamiento de las rigideces y anquilosis

1.3.2. Rehabilitación de la mano

16

15

1.3.3. Lesiones nerviosas periféricas

1.4 ÓRTESIS.

31

35

2. DESARROLLO DEL PROYECTO

38

2.1. TEORÍA GENERAL DE DISEÑO

38

2.2. PRIMER PROTOTIPO.

40

2.4. ESTUDIO ANTROPOMÉTRICO 52

2.5. DISEÑO

62

2.5.1. Abrazadera Muñeca

67

2.5.2. Abrazadera Antebrazo

70

2.5.3. Base Antebrazo

2.5.4. Platina 74

2.5.5. Base eje

75

2.5.6. Pin platina

75

72

2.5.7. Caja platina 77

2.5.8. Platina unión 77

2.5.9. Caja platina metacarpial 78

2.5.10. Platina soporte metacarpial. 2.5.11. Eje metacarpial. 2.5.12. sujetador.

79

80

82

2.5.13. Abrazadera metacarpial. 82

2.5.14. Base de soporte. 84

2.5.15. Estructura del motor.

86

2.6. CÁLCULOS MATEMÁTICOS

87

2.6.1. Esfuerzos normal, cortante y de aplastamiento

2.6.2 Análisis de Resultados

110

98

2.7. DISEÑO ELECTRÓNICO 123

2.7.1.Diseño de circuito de control.

123

2.7.2 Cálculos para el sistema de control.

133

2.8. ÓRTESIS DINÁMICA………………………………………………………………...142

3.COSTOS 144

4.CONCLUSIONES146

5. RECOMENDACIONES 149

6. BIBLIOGRAFÍA 150

ANEXOS

152

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Nervios periféricos……………………………………………………….2 Figura 2. Nervio periférico. Nervio periférico con dos fascículos, a) Fibra mielínica. b) Fibra amielínica. c) Endoneuro. d) Perineuro. e) Epineuro. f) Membrana epineural. g) Vasa nervorum………………………………………………………………………………..3 Figura 3. Esquema de la formación de un plexo…………………………………...5 Figura 4. Esquema del plexo braquial……………………………………………6 Figura 5. Planos del plexo braquial……………………………………………...8 Figura 6. El goniómetro mide los arcos de movimiento de las articulaciones…………………………………………………………………………17 Figura 7. El movimiento se mide en grados a partir de la posición O (cero)…………………………………………………………………………………..17 Figura 8. Se puede usar una regla para medir la distancia entre el pulpejo y la palma…….……………………………………………………………………………18 Figura 9. Discriminación de dos puntos por medio de un clip…………………19 Figura 10. La posición de la mano determina el edema………………………..21 Figura 11. Posición mano en agarre……………………………………………22 Figura 12. Posición de seguridad de la mano…………………………………...23 Figura 13. Férula estática, vista de perfil………………………………………...24 Figura 14. Ejemplo de una férula dinámica…………………………………..25 Figura 15. Ortesis de Oppenheimer para parálisis radial. Tiene el peligro de provocar una rigidez de las articulaciones metacarpofalángicas en extensión………………………………………………………………………………26 Figura 16. Ortesis de Wynn Parry para la parálisis radial………………………27

Figura 17. Órtesis tipo Lasso para la parálisis cubital……………………………27 Figura 18. Órtesis tipo Wynn Parry para parálisis cubital……………………….28 Figura 19. Zonas «sensibles» de la mano………………………………………...29 Figura 20. Efecto de «vecindad» que tiende a subluxar la metacarpofalángica provocando la aparición de un canto peligroso sobre la cara dorsal del dedo……………………………………………………………………………………30 Figura 21. Componente de compresión articular…………………………………30 Figura 22. Parálisis radial………………………………………………………….32 Figura 23. Parálisis del mediano…………………………………………………..33 Figura 24. Parálisis cubital………………………………………………………..34 Figura 25. Órtesis de mano y muñeca...………………………………………..35 Figura 26 Órtesis dinámica de muñeca Ambroise…..………………………….35 Figura 27. Bisagra flexora………………………………………………………….36 Figura 28. Órtesis dinámica de muñeca…………………………………..……..36 Figura 29. Correlación entre los módulos del aditamento ortésico………….39 Figura 30.Diseño del primer prototipo……..………………………………………42 Figura 31. Primer prototipo vista lateral…………………………………………44 Figura 32.Primer prototipo despiece…..………………………………………….44 Figura 33.Conjunto ensamblado del primer prototipo...…………………………45 Figura 34. Dimension printing SST 1200….……………………………………46 Figura 35. Sistema de boquillas………………..…………………………………47 Figura 36. Pieza fabricada mediante prototipado rápido….…………………47 Figura 37. Arandela tipo STL…………..…………………………………………..48

Figura 38. Férula prototipo dos…………………………………………………….48 Figura 39. Férula desarmada completa………………………………………....49 Figura 40. Férula desarmada parte metacarpial……………………………….49 Figura 41. Férula desarmada parte antebrazo y muñeca……………………..49 Figura 42. Dispositivo ensamblado…...…………………………………………..50 Figura 43. Base de soporte………………………………………………...………50 Figura 44. Estructura del motor…………………………………………………...51 Figura 45. Control……………………………………………………………………51 Figura 46 . Anchura Metacarpial………………………………………………….53 Figura 47. Anchura Muñeca………………………………………………………..53 Figura 48. Anchura Antebrazo……………………………………………………...54 Figura 49. Longitud Antebrazo…………………………………………………….55 Figura 50. Longitud Palma………………………………………………………….55 Figura 51. Perímetro Metacarpial…………………………………………………..56 Figura 52. Perímetro Muñeca……………………………………………………….56 Figura 53. Perímetro Antebrazo……………………………………………………57 Figura 54. Altura Metacarpial………………………………………………………57 Figura 55. Altura Muñeca……………………………………………………………58 Figura 56. Altura Antebrazo…………………………………………………………58 Figura 57. Acercamiento geométrico del brazo mujer…………………………63 Figura 58. Acercamiento geométrico del brazo hombre……………………...63

Figura 59. Representación grafica de la recta numérica para ancho del brazo mujer………………….………………………………………………………..64 Figura 60. Representación grafica de la recta numérica para alto del brazo mujer…………....................................................................................................65 Figura 61. Representación grafica de la recta numérica para ancho del brazo hombre…………………………………………………………………………66 Figura 62. Representación grafica de la recta numérica para alto del brazo hombre………………………………………………………………………………..66 Figura 63. Diseño geométrico abrazadera………………………………………..67 Figura 64. Diseño perforaciones abrazadera muñeca…………………………...69 Figura 65. Perforaciones sujeción y eje abrazadera muñeca…………………...70 Figura 66. Diseño de abrazadera antebrazo……………………………………..71 Figura 67. Diseño perforaciones abrazadera muñeca…………………………..72 Figura 68. Diseño perforaciones base antebrazo………………………………..73 Figura 69. Diseño de dimensiones del antebrazo……………………………….73 Figura 70. Diseño platina……………………………………………………………74 Figura 71. Diseño base eje………………………………………………………….75 Figura 72. Pin platina………………………………………………………………..76 Figura 73. Caja platina………………………………………………………………77 Figura 74. Platina unión…………………………………………………………….78 Figura 75. Caja platina metacarpial……...………………………………………79 Figura 76. Platina soporte metacarpial……………………………………………80 Figura 77. Eje metacarpial………………………………………………………….80 Figura 78. Sujetador…………………………………………………………………81

Figura 79. Abrazadera Metacarpial………………………………………………..82 Figura 80. Platina Metacarpial………………………………………………………83 Figura 81. Base de soporte………………………………………………………..84 Figura 82. Geometría de la base………………………………………………….84 Figura 83. Estructura del motor……………………………………………………86 Figura 84. Movimiento lateral de la estructura………………………………….86 Figura 85. Movimiento hacia arriba y hacia abajo de la estructura…………87 Figura 86. Movimiento en profundidad y el armazón del motor……………...87 Figura 87. Diagrama de cuerpo libre marco metacarpial……………………….88 Figura 88. Diagrama de cuerpo libre sujetador large………………………..89 Figura 89. Caso crítico……………………………………………………………..90 Figura 90. Diagrama de cuerpo libre de la abrazadera metacarpial……….90 Figura 91. Diagrama de cuerpo libre de la abrazadera metacarpial……….91 Figura 92. Diagrama de cuerpo libre para la platina de unión……………..92 Figura 93. Platina unión large……………………………………...……………..93 Figura 94. Diagrama de cuerpo libre de la platina para su deflexión……………………………………………………………………………… 93 Figura 95. Diagrama de la base motor……………………………………..…95 Figura 96. Diagrama de cuerpo libre…………………………………………......96 Figura 97. Estructura a tenerse en cuenta para el peso…………………....97 Figura 98. Esfuerzo cortante sobre el pasador………………………………..98 Figura 99. Esfuerzo cortante sobre el pasador………………………………..99

Figura 100. Esfuerzo cortante sobre el pasador……………………………….99 Figura 101. Esfuerzo cortante sobre el pasador……………………………..100 Figura102. Esfuerzo cortante sobre la pared de la abrazadera metacarpial…………………………………………………………………………..100 Figura103. Esfuerzo cortante sobre la pared de la abrazadera metacarpial…………………………………………………………………………..101 Figura104. Esfuerzo cortante sobre la platina muñeca……………………..101 Figura 105. Esfuerzo cortante sobre la platina unión……………………….102 Figura 106. Esfuerzo cortante sobre la base del antebrazo………………...102 Figura107. Esfuerzo normal en los apoyos del pasador………………….103 Figura108. Esfuerzo normal en los apoyos del pasador……………………103 Figura109. Esfuerzo normal sobre la pared del pasador…………………...104 Figura 110. Esfuerzo normal sobre la pared del pasador…………………..104 Figura 111. Esfuerzo normal sobre la pared de la abrazadera metacarpial…………………………………………………………………………..105 Figura 112. Esfuerzo normal sobre la pared de la abrazadera metacarpial…………………………………………………………………………..105 Figura 113. Esfuerzo normal de la platina muñeca…………………………….106 Figura 114. Esfuerzo normal de la platina unión……………………………....106 Figura 115. Esfuerzo normal de la base del antebrazo…………………….….107 Figura 116. Esfuerzo de aplastamiento en la pared del pasador…………...107 Figura 117. Esfuerzo de aplastamiento en la pared del pasador…………...108 Figura 118. Esfuerzo de aplastamiento en la pared del pasador………….108 Figura 119. Esfuerzo de aplastamiento en la pared del pasador………….109

Figura 120. Diagrama de deformaciones del tornillo………………………...111 Figura 121. Diagrama de deformación del apoyo del pasador…………….112 Figura 122. Diagrama de deformación de la pared de pasador………….113 Figura 123. Diagrama de deformaciones del tornillo…………………………114 Figura 124. Diagrama de deformación de la pieza…………………………..114 Figura 125. Diagrama de deformación de la figura…………………………115 Figura 126. Diagrama de deformación debida a la fuerza ܴ௣ଵ ……………..116 Figura 127. Diagrama de deformación debida a la fuerza ܴ௣ଶ ……………117 Figura 128. Diagrama de deformación del tornillo…………………………...118 Figura 129. Diagrama de deformación del apoyo del pasador en la abrazadera…………………………………………………………………………..120 Figura 130. Diagrama de deformación de la abrazadera…………………….120 Figura 131. Deformación de la platina………………………………………….121 Figura 132. Diagrama de deformación de la base del motor……………...122 Figura 133. Diagrama de deformación de la base del antebrazo…………123 Figura 134. Circuito electrónico de control………………………………………124 Figura 135. Tren de pulsos para control del servo……………………………...126 Figura 136. Diagrama general…………………………………………………….129 Figura 137. Posición central………………………………………………………130 Figura 138. Posición deseada……………………………………………………131 Figura 139. PCB pic………………………………………………………………..132 Figura 140. PCB teclado…………………………………………………………...132

Figura 141. Monitoreo señal de control (tren de pulsos)……………………….135 Figura 142. Duración ciclo duty para posición = 90° (absoluta)……………….136 Figura 143. Periodo tren de pulsos para posición = 90° (absoluta)…………..136 Figura 144. Periodo tren de pulsos para posición = 110° (absoluta)…………137 Figura 145. Duración ciclo duty para posición = 110° (absoluta)……………..137 Figura 146. Duración ciclo duty para posición = 90° (absoluta)……………...138 Figura 147. Periodo tren de pulsos para posición = 90° (absoluta)…………..138 Figura 148. Periodo tren de pulsos para posición = 80° (absoluta)…………..139 Figura 149. Duración ciclo duty para posición = 80° (absoluta)………………139 Figura 150. Duración ciclo duty para posición = 90° (absoluta)……………….140 Figura 151. Periodo tren de pulsos para posición = 90° (absoluta)…………..140 Figura 152. Comportamiento de la señal de control durante ciclo de trabajo (80° 110°)…….…………………………………………………………………………..141 Figura 153. Órtesis dinámica…………………………………………………….142 Figura 154. Férula…………………………………………………………………..142 Figura 155. Control………………………………………………………………..143 Figura 156. Órtesis dinámica vista lateral……………………………………..143 Figura 157. Radiografía de la muñeca en la que aparecen los huesos del carpo y su disposición en las articulaciones radiocarpiana y medio carpiana……………………………………………………………………………...153 Figura 158. Movimientos de la articulación radiocarpiana………………………………………………………………………..155

LISTA DE TABLAS Tabla 1. Percentiles…………………………………………………...……………59 Tabla 2. Percentiles datos de mujer con edades entre los 20 y los 60 años…………………………………………………..……………………………….60 Tabla 3. Percentiles datos de hombre con edades entre los 20 y los 60 años.…………………………………………………………………………..………61 Tabla 4. Tabla resumen de medidas para mujer percentil 50 y hombre percentil 95……………………………………………………………………………62 Tabla 5. Esfuerzos………………………………………………………………...110 Tabla 6. Variables sistema de control…………………………………………….127 Tabla 7. Duración ciclo duty, para las posibles configuraciones de la férula…………………………………………………………………………………133 Tabla 8. Costos………………………………………………………………….....144 Tabla 9. Ancho metacarpial (mujer)………………………………...……….184 Tabla 10. Ancho muñeca (mujer)………….………………………………...184 Tabla 11. Ancho antebrazo (mujer)…………………….……………………185 Tabla 12. Longitud antebrazo (mujer)……………………………….………...186 Tabla 13. Longitud palma (mujer)………………………………………...……186 Tabla 14. Perímetro metacarpial (mujer)…………………………………...…187 Tabla 15. Perímetro muñeca (mujer)……………………………..……………187 Tabla 16. Perímetro antebrazo (mujer)……………………………..………...188 Tabla 17. Altura metacarpial (mujer)………....…...……………………………189 Tabla 18. Altura muñeca (mujer)……………………………………………….189 Tabla 19. Altura antebrazo (mujer)……………………………...……………..190

Tabla 20. Ancho metacarpial (hombre)…………………...………………...190 Tabla 21. Ancho muñeca (hombre)……………………………………..…..191 Tabla 22. Anch antebrazo (hombre)…………………………...…………..191 Tabla 23. Longitud palma (hombre)……………………………………………192 Tabla 24. Longitud antebrazo (hombre)……………………………………….193 Tabla 25. Perímetro metacarpial (hombre)…………………………………….193 Tabla 26. Perímetro muñeca (hombre)……………………...…………………194 Tabla 27. Perímetro antebrazo (hombre)……………………………..………195 Tabla 28. Altura metacarpial (hombre)……………..…………………………195 Tabla 29. Altura muñeca (hombre)………………………………...…………..196 Tabla 30. Altura antebrazo (hombre)………………………………..…………196

ANEXOS Anexo 1………………………………………………………………………………152 Anexo 2………………………………………………………………………………156 Anexo 3………………………………………………………………………………184 Anexo 4………………………………………………………………………………198 Anexo 5………………………………………………………………………………199 Anexo 6………………………………………………………………………………201

GLOSARIO Avulsiones: extracción o arrancamiento de una parte de órgano. Axón: El axón o cilindroeje o neurita es una prolongación filiforme de la célula nerviosa, a través de la cual viaja el impulso nervioso de forma unidireccional, y que establece contacto con otra célula mediante ramificaciones terminales. Edema: presencia de volumen anormalmente espacios intersticiales corporales.

grande

de

líquido

en

los

Estasis: Trastorno caracterizado por la lentitud o detención del flujo normal de un líquido a través de un vaso del organismo. Fascia: envoltura de tejido conjuntivo que recubre uno o más músculos. Por extensión, se aplica a cualquier envoltura estructural. Inervar: Acción de los nervios sobre los diferentes órganos o regiones del cuerpo. Intersticial: Que pertenece a los espacios de un tejido o situado en ellos. Intraneural: Dentro de un nervio o de la sustancia nerviosa. Fascículos: Haz pequeño, principalmente de fibras musculares nerviosas. Líquido sinovial: Líquido claro y viscoso secretado en las bolsas y vainas tendinosas en las articulaciones. Contiene mucina, albúmina, grasa y sales minerales y sirve para lubricar las articulaciones. Mielina: Sustancia que constituye las vainas de numerosas fibras nerviosas en todo el organismo. Se compone en gran parte de grasa, que da a las fibras un aspecto blanco cremoso. Morfología: Es la disciplina encargada del estudio de la forma y estructura de un organismo o sistema. Motoneurona: célula nerviosa cuya terminal del axón está unida mediante una sinapsis a una célula muscular, de tal manera que cuando llega un estímulo a través de ella ocasiona la contracción de la fibra nerviosa. Nervio circunflejo: Una de las dos últimas ramas del fascículo posterior del plexo braquial antes de que se convierta en el nervio radial.

Nervio mediano: Una de las ramas terminales del plexo braquial que se distribuye por la región radial del antebrazo y de la mano e inerva distintos músculos y la piel de esta zona. Nervio radial: Rama de mayor tamaño del plexo braquial que se origina a cada lado del cuello como continuación del cordón posterior. Inerva la piel del brazo y antebrazo y los músculos extensores. Neuroglia: Estructura de sostén del tejido nervioso. Neuroma: Proliferación anormal de células benigna constituida por neuronas y fibras nerviosas que se desarrolla sobre un nervio. Nociceptivo: Perteneciente a un receptor nervioso para estímulos dolorosos. Plano sagital: Plano anteroposterior o corte paralelo al plano medio del cuerpo. Pronación: En los movimientos de la mano la rotación para traer la palma de la mano, de manera que mire el suelo. Resección: Extirpación total o parcial de un órgano. Sistema nervioso periférico: Este sistema controla las actividades rápidas del cuerpo como contracciones musculares, m fenómenos viscerales que evolucionan rápidamente que incluso las secreciones de algunas glándulas endocrinas. Sistema propioceptivo: es aquél que nos proporciona información sobre el funcionamiento armónico de músculos, tendones y articulaciones: participa regulando la dirección y rango de movimiento; permite reacciones y respuestas automáticas. Subclavio: Situado por debajo de la clavícula, como la vena subclavia. Supinación: En los movimientos de la mano la rotación del antebrazo manera que la palma de la mano mire hacia arriba.

de

Sustancia blanca: Está compuesta principalmente de fibras nerviosas mielínicas y unos cuantos cuerpos de células nerviosas, sí es que hay alguna. Sustancia gris: Se llama así por su aspecto y la preponderancia de cuerpos de células nerviosas y fibras no mielinizadas.

Tegumento: Envoltura, cubierta, piel. Tejido Conjuntivo: Es el sostén.

tejido

que

permite

movimiento

y

proporciona

Tubo neural: Tubo longitudinal que recorre el eje central del embrión en desarrollo y da lugar al cerebro, la medula espinal y otras estructuras del sistema nervioso central. Tisular: De los tejidos de los organismos o relativo a ellos. Vaina: Parte o funda tubular que rodea un órgano.

INTRODUCCIÓN

La presencia de rigideces articulares es muy común en pacientes cuya patología ha implicado la inmovilización de dichas articulaciones, o la perdida de la manipulación consciente de ellas. Frente a los largos tiempos que implican sus tratamientos, se hace de vital importancia su prevención. El objetivo del siguiente trabajo es el diseño y la fabricación de una férula dinámica, cuya principal función será la realización de movilizaciones pasivas, en barridos angulares variables, sobre la muñeca humana, para así de esta forma complementar las “movilizaciones pasivas mantenidas” aplicadas por el fisioterapeuta encargado.

Según la investigación realizada no existe un dispositivo con ese tipo de prestaciones, y algunos similares son de un costo elevado. Por esa razón se buscará la máxima flexibilidad posible en el dispositivo, garantizando su implementación en un amplio rango de pacientes, además de la no discriminación entre extremidad superior izquierda o derecha.

La órtesis contempla varias partes como lo son: la férula de sujeción, que es la encargada de sostener la mano y el antebrazo, el módulo de apoyo y control electrónico, que es una base con un plano inclinado donde se sostiene la férula y , en su interior, contiene el control electrónico que permite la manipulación de los movimientos del motor y de los mensajes que se visualizan en la LCD, (Liquid Crystal Display), el módulo electromotriz, que consiste en la base que soporta al motor, dándole a éste libertad de movimiento en todos los ejes, y el módulo de visualización y parametrización, que permite ver y manipular la programación de la órtesis.

La férula debe proporcionar una inmovilización cómoda al paciente, y sobre todo un tratamiento que no desemboque en afecciones no contempladas inicialmente, ya que el sistema busca generar un mejor nivel de vida en el paciente, evitando que su estadía en la institución hospitalaria implique la adquisición de nuevos padecimientos o la extensión de la misma.

1. MARCO TEÓRICO T

1.1.

REG GIONES AN NATÓMICA AS

Las estruc L cturas del cuerpo cu uya descripción y funcionalida f ad se exp plican a es, los c continuació ón, contem mplan los nervios que q contro olan las extremidad e n nervios pe eriféricos, y más exa actamente las superiores, en el caso de el plexo b braquial.

1.1.1. Nerrvios perifféricos1. El E sistema nervioso periférico esstá compue esto por t todos los nervios n que están po or fuera de el sistema nervioso central c (ce erebro y m médula es spinal). Fo orman partte del sistema nervvioso periférico los nervios c craneales que q conecta an el cereb bro directam mente con la a cabeza y la cara, loss que lo c conectan con c los ojoss y la nariz, y los nervios que con nectan la médula m espiinal con e resto del organismo el o. (Fig. 1) Figura 1. Nervios pe eriféricos.

h http://www. .iqb.es/neurologia/atla as/n_periferricos/nervio os02.htm 1

Fisioterapia en las lesio ones del sisttema nerviosso periférico.

2

Tipos y clasificació T c ón estructu ural de lo os nervios s periférico os.2 Los nervios p periféricos se pueden n clasificar según su función f y morfología, m así como por su o origen.

e que los "co ordones nerrviosos", assí Morfología. En relación con la estructura, l llamados lo os nervios o fibras nerviosas, n e están consstituidos ca asi siempre e por la a agrupación n de variass neuronas, que so on las que e confieren n la caractterística f fundamenta al al nervio periférico. En cuanto a la morfolo ogía del "co ordón nervioso periférrico", el con njunto de ne euronas ( (neurofibra s), al aban ndonar la sustancia s g para pa gris asar a la sustancia s b blanca y c constituir el nervio periférico, se rodean de una vaina de neurog glia o de un na vaina g grasa rica en fósforo,, la vaina de d mielina. El endone euro es tejiido conjunttivo que s separa cad da fibra inte ernamente, las fibras fo orman fasccículos que son envue eltos por e perineuro el o y estos fa ascículos, a su vez, so on cubierto os por nuevvas capas de d tejido c conjuntivo que confo orman el epineuro, el "cordón n" que se e puede observar o m macroscóp picamente (Fig 2).

Nervio pe Figura 2. Nervio periférico. p eriférico co on dos fasscículos, a) a Fibra m mielínica. b) Fibra amielínica a. c) Endo oneuro. d) Perineuro o. e) Epine euro. f) epineural. g) Vasa ne M Membrana ervorum.

Fisioterapia a en las le esiones de el sistema nervioso periférico. p

2

Fisioterapia en las lesio ones del sisttema nerviosso periférico.

3

Atendiendo al diámetro, velocidad de conducción y características anatomofisiológicas, las fibras nerviosas (motoras y sensitivas) se clasifican en tres grupos: A, B y C. Las fibras A son las más gruesas, están mielinizadas y se encargan de transmitir las sensaciones dolorosas. Su velocidad de conducción es rápida y clásicamente se subdividen en cuatro grupos en función del tamaño y velocidad de conducción, y son, de mayor a menor, alfa, beta, gamma y delta. Las fibras A-alfa presentan una velocidad de conducción rápida (hasta 120 m.por segundo), transmiten las sensaciones propioceptivas, la actividad refleja y los impulsos para la actividad motora. Las A-beta tienen menor tamaño que las alfa, velocidad de conducción menor y transmiten impulsos motores. Las A-gamma controlan el tono muscular y las A-delta transmiten principalmente dolor y temperatura. Las fibras B son de menor diámetro, están ligeramente mielinizadas, inervan sobre todo la musculatura lisa y otras estructuras del sistema nervioso vegetativo. Las fibras C son amielínicas y su papel consiste en la conducción lenta de los estímulos nociceptivos. Origen. Se establecen dos grupos de nervios periféricos: los que nacen del encéfalo (nervios craneales) y los que arrancan de la médula (nervios raquídeos). Los nervios craneales son 12 pares que, partiendo directamente del encéfalo inervan músculos esqueléticos, como los del globo ocular, la cara y la lengua pero que, sobre todo, participan en la visión, el olfato, el equilibrio, la audición y otras funciones sensitivas, así como en actividades no volitivas, como la del corazón, es y otras vísceras; solamente el XI par craneal (nervio espinal) interviene, junto con ramas de los nervios espinales del plexo cervical, en la inervación de importantes músculos de la postura, por ejemplo el esternocleidomastoideo y el trapecio.

4

Los nervios L s raquídeoss son los que estableccen la cone exión entre la médula espinal y las diferrentes estrructuras de el organism mo; emerge en de ella a a través de los a agujeros de d conjuncción verte ebral y se e disponen n en form ma de complejos e entramados s llamados plexos, desde donde se distribuyen. Cada nerviio se consttituye a parrtir de una raíz posterrior o dorsa C al (aferente e) y otra a anterior o ventral v (efe erente), que e unidas originan la que q aparecce por el fo oramen. A entre cada Así c dos vé értebras irá á emergiend do una raízz que, unida a a la supe erior o a l inferior, subdividiéndose y enlazando con la c otras, creará los plexos de e donde p procede la extensa re ed de nervio os perifériccos (Fig 3). Los plexos toman el nombre L n del nivel verte ebral en el que q se form man, de ese modo h el plexo cervical o braquial y el lumbossacro. En la hay a zona dorssal no existe e plexo, i inervando cada c raíz músculos m y piel de fo orma individ dualizada, a excepció ón de la p primera (D1 1) que perte enece al plexo braquia al. El sistema nervioso simpático también se suma a esta orga anización re eticular, fibras afe a aportando erentes y eferentes que gestio onan la fu unción vassomotriz v visceral y de sudorración. El resultado r f final será la considerración de que q los p periféricos son nervio os mixtos, al a contenerr en sí fibrras motorass, sensitiva as y del s sistema sim mpático.

Figura 3. Esquema de e la formaciión de un plexo

Fisioterapia a en las le esiones de el sistema nervioso periférico. p

5

1.1.2. Plex xo braquial3. El plexo o braquial está e constituido por lass ramas anteriores d las raíce de es C5, C6, C7, C8 y DI D (Fig. 4). El plexo en n su conjun nto adopta una forma triangular, con la basse en la columna y e vértice en el e la axila, cuyo c lado superior s es mucho má ás largo y vertical v que el infer rior. Esta disposición d explica la mayor freccuencia en las avulsio ones de lass raíces i inferiores (C C8 y D1). La longitud L d promedio de cada ra aíz del plexxo es la sigu uiente: C5, 4 cm; C6, 3,1 cm; C 2,5 cm; D1, 2,4cm C8, m. En la regió ón supraclavvicular, los troncos ne erviosos tra anscurren entre e los músculos e escaleno anterior y esscaleno me edio, y en la a región infrraclavicularr, acompañ ñando al p paquete va ascular subcclavio, entre el músculo sub-esca apular y el pectoral me enor.

Figura 4. Esquema E d flexo braquial del

Ó Órtesis y prótesis de el aparato locomotor. Extremida ad superio or. 3

Órtesis y prótesis p del aparato a locom motor extrem midad superio or.

6

Sistematización del plexo braquial4 •

El plexo braquial se dispone en dos planos: anterior y posterior. Estos dos planos son independientes desde las raíces hasta los troncos secundarios y nervios colaterales (fig. 5). El plano posterior, constante y simple, es el destinado a los músculos extensores del miembro superior. El plano anterior, variable y complejo en razón de la variabilidad de C7, está destinado a la función de flexión.

•

En las lesiones por tracción (que es la causa más frecuente de las lesiones traumáticas), la estructura que se rompe primero es la fibra nerviosa, lo que producirá una gran disociación entre los cabos nerviosos. La gran longitud de estas lesiones obliga a grandes resecciones que sólo pueden ser reparadas mediante injertos.

•

Modernos estudios han determinado una cifra media de 130.000 fibras nerviosas por plexo (mínimo 101.864-máximo 166.214) con la siguiente distribución: C5, 23.000; C6, 26.000; C7, 31.500; C8, 24.000; DI, 22.000. Las fibras motoras representan un tercio, y las sensitivas dos tercios del total. Asimismo, es interesante destacar que el 40 % de las fibras nerviosas del plexo están destinadas a la inervación de la cintura escapular. Las ramas terminales principales presentan el siguiente promedio de fibras nerviosas: nervio mediano, 18.280; nervio radial, 19.858; nervio circunflejo, 6.700. Estas cifras dan una idea de la complejidad de la estructura del plexo y de los grandes problemas que conllevan la reparación y la valoración de los resultados.

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Órtesis y prótesis del aparato locomotor extremidad superior.

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Figura 5. Planos del plexo braquial.

Órtesis y prótesis del aparato locomotor. Extremidad superior.

1.2. FISIOPATOLOGÍAS

El estudio de las diferentes alteraciones de los nervios periféricos, así como también los procesos físicos y químicos que se llevan a cabo durante estos y sus consecuencias en el organismo son explicadas a continuación.

1.2.1. Fisiopatología de los nervios periféricos5. Los nervios periféricos pueden verse afectados en su integridad tisular, bien sea por la acción violenta de un elemento, como en el caso de un traumatismo, contusión, compresión, estiramiento, sección, etc., o bien a consecuencia de un proceso patológico derivado de otra enfermedad sistémica más o menos generalizada y que afecte de algún modo la estructura del sistema nervioso periférico. La afectación aislada de un nervio o tronco nervioso revela, comúnmente, una agresión mecánica exógena o endógena; por ejemplo, el golpe brusco sobre una zona donde el nervio está poco protegido por músculo o tejido adiposo. Otro caso sería la compresión mantenida del nervio contra el plano duro óseo subyacente; también puede ocurrir una lesión por estiramiento forzado de un tronco o un plexo, con la posibilidad de arrancamiento de las raíces, al caer un individuo al vacío y 5

Fisioterapia en las lesiones del sistema nervioso periférico.

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quedar colgado de un brazo; la sección parcial o total de un nervio como consecuencia de una herida incisa o por la acción de un fragmento o esquirla ósea en una fractura también es una posibilidad de lesión. En todos estos casos expuestos puede afectarse un solo nervio o una raíz, en cuyo caso se conoce como mononeuritis; otras veces, en cambio, por la violencia o extensión de la acción, puede verse afectado más de un nervio, y entonces el resultado será una multineuritis. Se debe considerar este último ejemplo como la suma de varios procesos independientes (mononeuritis), y no como uno general, puesto que el agente patológico puede incidir de distinta forma en cada uno de los nervios afectados, y así, la valoración global del proceso va a reflejar una asimetría en su manifestación; y más tarde en su recuperación, que también evolucionará de forma aislada para cada nervio en función de su grado de lesión. Cuando la afectación de los nervios aparece de forma generalizada, con distribución simétrica, más evidente en zona distal de los miembros y habitualmente a causa de una enfermedad infecciosa, inflamatoria o proceso de intoxicación, se denomina polineuritis. En las polirradiculoneuritis, además, se establece un proceso inflamatorio doloroso de las raíces nerviosas espinales. Se evidencia, pues, la pluralidad de circunstancias que pueden determinar la patología de un nervio y el diverso modo en que puede quedar éste afectado; no obstante, para su mejor estudio y desde el punto de vista anatomopatológico, las lesiones o afecciones de los nervios periféricos se agrupan como sigue: •

Radiculopatías: cuando la lesión radica en la raíz que forma el nervio, tanto a nivel extra como intraneural.

•

Lesión de los plexos: se afecta parte o la totalidad de un plexo, en cuyo caso la posibilidad de que haya mayor número de nervios involucrados es elevada.

•

Lesión trencillar: sucede aquí que el nervio o tronco nervioso queda afectado en un punto cualquiera de su trayecto.

•

Polineuropatía: afectación generalizada de los nervios periféricos que se establece, frecuentemente, como consecuencia de otro proceso, sea éste infeccioso, tóxico, inmunológico, etc.

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•

La calidad de la afectación: es decir, su tipo, extensión y gravedad, determinará el pronóstico y la planificación del tratamiento tal como queda expuesto en los capítulos siguientes dedicados a cada una de las entidades patológicas señaladas.

1.2.2. Consecuencias de la lesión nerviosa periférica6. En las lesiones nerviosas en las que se produce una sección del axón (axonotmesis), y sobre todo si se ha seccionado también el tubo endoneural (neurotmesis), aparecen importantes alteraciones tisulares. Dado que los nervios periféricos son mixtos, su lesión producirá diversos cambios tisulares en los tejidos inervados. La lesión de las fibras musculares provoca parálisis muscular; la lesión de las fibras sensitivas, una alteración de la sensibilidad, y la lesión de las fibras simpáticas, alteraciones vasomotoras y tróficas. Alteraciones de la regeneración nerviosa. En los casos en los que hay sección del nervio, la recuperación funcional nunca llega a ser completa, aunque se emplee la técnica quirúrgica más precisa para unir ambos cabos. Entre las razones de esta deficiente recuperación cabe destacar: a) Degeneración retrógrada y muerte de la neurona. Esto ocurre en las secciones nerviosas proximales. b) La formación de una cicatriz entre ambos cabos del nervio seccionado impide el paso del axón al cabo distal, formándose un neuroma en el cabo proximal. c) Reinervación errónea o aberrante. Como la coaptación entre ambos cabos no puede ser perfecta, los axones proximales pueden penetrar en un tubo neural distinto al que corresponde. Así, el axón de una motoneurona puede llegar a un músculo distinto, o incluso a una terminación sensitiva. Ello da lugar a un patrón de reinervación incompleto y anormal que provoca alteraciones de la coordinación muscular y de la sensibilidad.

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Fisioterapia en las lesiones del sistema nervioso periférico.

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d) El órgano periférico (diana) puede haber degenerado cuando llega el axón y no funcionar. e) Las alteraciones de los tejidos periféricos (rigideces, fibrosis) pueden hacer inefectiva la reinervación. Alteraciones musculares a) Parálisis muscular. Es de tipo flácido y conduce a profundos cambios en el propio músculo y en todos los tejidos. b) Atrofia muscular. El músculo denervado se atrofia rápidamente durante los 3 primeros meses (75%) y luego lo hace más lentamente. Ello es debido a varios factores, entre los que figuran: el desuso, la pérdida de la función trófica de la motoneurona, las alteraciones vasculares y la fatiga por fibrilación. c) Degeneración de la fibra muscular. Los cambios degenerativos suelen ser tardíos y se comienzan a observar microscópicamente a partir de los 9 meses de la lesión y, por tanto, se puede conseguir una excelente recuperación funcional al cabo de 12 meses de la denervación. Alteraciones articulares Son más intensas en las articulaciones que soportan peso, como las de los miembros inferiores. Las alteraciones más importantes son: la inestabilidad, la rigidez y la deformidad. a). Inestabilidad articular. Se debe a la ausencia del control que ejercen los músculos sobre las articulaciones. Está favorecida por el reblandecimiento de los ligamentos articulares debido al edema y a la deficiente circulación ocasionados por la lesión de fibras simpáticas. b) Rigideces y deformidades articulares. La ausencia de movimiento articular afecta a todos los elementos de la articulación, dando lugar a una disminución o pérdida de la función. Ello se debe a: •

Pérdida de la elasticidad de la cápsula y ligamentos articulares.

•

Degeneración del cartílago articular. El cartílago se nutre por medio de los gases disueltos en el líquido sinovial y, por tanto, precisa de las variaciones de 11

la presión intraarticular que se producen durante el movimiento. Si no hay movimiento, la nutrición del cartílago se ve comprometida y acaba degenerando, con lo que se produce una pérdida parcial o total de la función articular. •

Adherencias y fibrosis de vainas tendinosas y fascias, que impiden el deslizamiento de los tendones y de los músculos y, por tanto, reducen el movimiento articular.

Alteraciones sensitivas La lesión de las fibras sensitivas del nervio periférico, que suele ser mixto, conduce a las siguientes alteraciones: a) Pérdida de la sensibilidad en todas sus modalidades. Así, los tejidos carecen de defensa y son vulnerables a todos los agentes externos. La falta de información propioceptiva ocasiona una incoordinación de los movimientos y una dificultad o ausencia en el reconocimiento de los objetos. b) Disestesias y dolores. Son muy frecuentes e impiden la utilización del miembro, por lo que pueden hacer muy desagradable la vida del enfermo. Alteraciones vegetativas Cuando se lesionan las fibras vegetativas que inervan los vasos, glándulas y vísceras, se producen importantes alteraciones. Cabe destacar las siguientes: a) Las alteraciones del tono vascular dan lugar a estasis venosa y linfática con el edema consiguiente y a una hipersensibilidad al frío. b) Alteraciones tróficas: las más importantes son las úlceras en piel, la hiperqueratosis en palmas y plantas y las uñas en garra.

1.2.3. Fisiopatología de la limitación y/o rigidez articular y de la anquilosis7. La rigidez articular puede definirse como la pérdida de la movilidad activa y pasiva, debida a limitación articular, muscular o de tejidos blandos. El concepto es dinámico, pues primero se produce una limitación articular y después una rigidez articular. En este proceso se; produce una progresiva alteración del tejido conjuntivo.

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Fisioterapia en las lesiones del sistema nervioso periférico.

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El tejido conjuntivo está formado por tejido intersticial del sistema músculoesquelético y tegumentos, fibras y sustancia fundamental que rodea a las células, individualizándolas en los tejidos y órganos. Existen dos variedades: a) Tejido conjuntivo denso: ordenado y poco vascularizado. Forma cartílagos, tendones, ligamentos, etc. b) Tejido conjuntivo laxo: muy irregular. Forma la dermis, tejidos de relleno como el adiposo, etc. Los componentes fundamentales del tejido conjuntivo son: •

Células.

•

Matriz extracelular formada por proteínas (colágeno y elastina), glucoproteínas y polisacáridos.

•

Fluido intersticial.

El tejido conjuntivo tiene una gran capacidad metabólica y regenerativa postlesional. Las propiedades físicas y estructurales del tejido conjuntivo dependen de las proporciones de un componente, de las propiedades físicas de cada componente en sí, de la distribución geométrica o espacial de las fibras (especialmente de colágeno y elastina) y de la composición iónica del fluido intersticial. Cualquier lesión sobre los elementos articulares o periarticulares de una zona, sea de causa traumática, inflamatoria o degenerativa, produce en primer lugar un acortamiento de las fibras de colágeno y, posteriormente, una proliferación de tejido conjuntivo que puede provocar, en último extremo, una alteración de la movilidad articular en todas las direcciones del movimiento. La traducción anatomo-patológica de este fenómeno sobre las distintas estructuras se puede sistematizar en los siguientes puntos: a) Articulación: proliferación de tejido fibroso y graso intraarticular, que contacta con el cartílago y alcanza progresivamente el hueso subcondral. Esto hace cartilago se vuelva fibrilar y se rellene poco a poco de tejido mesenquimatoso.

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Todos estos cambios van produciendo una limitación cada vez mayor de los movimientos de la articulación. b) Ligamentos: se produce una desorganización celular y fibrilar del colágeno que se va disminuyendo poco a poco la resistencia del ligamento. c) Tejidos blandos periarticulares: aparece una disminución del agua y de glucosaminoglicanos, con una alteración de las uniones cruzadas de las fibras de colágeno Esta alteración de los componentes del tejido conjuntivo tiene como consecuencia final una verdadera alteración mecánica. En conjunto, se produce un nuevo tejido conjuntivo, diferente del normal, fibrótico en el que se encuentran como fenómenos más característicos los siguientes: •

Nuevas fibras de colágeno, completamente desordenadas debido a que la síntesis de éstas se produce sin el debido control que imponen las fuerzas físicas.

•

Recambio acelerado del glucógeno, con lo que aparecen fibras inmaduras con menos propiedades para resistir cargas de tensión. En concreto se forma un nuevo tejido conjuntivo inmaduro y desordenado, dando lugar a lo que se conoce como "fibrosis de la zona".

Estas alteraciones de los componentes del tejido conjuntivo ocasionan como consecuencia final una verdadera alteración mecánica, que se traduce en una movilidad alterada y limitada. Cuando la limitación de la movilidad es completa, se produce una pérdida total de la posibilidad de movimiento articular y se habla de "anquilosis". En este caso la alteración estructural del tejido conjuntivo es mayor y se produce una conversión del tejido fibroso en tejido óseo.

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1.3 FISIOTERAPIA PARA LA PERVENCIÓN Y EL TRATAMIENTO.

El tratamiento de las lesiones es fundamental para su correcto funcionamiento, este proceso se lleva a cabo utilizando diferentes ejercicios terapéuticos como lo son el frio, el calor, el agua y la electricidad, entre otras. Es importante, también, observar las diferentes pruebas que se tienen para medir las capacidades físicas, la amplitud de los movimientos y los diagnósticos, y por último la evolución de cada paciente.

1.3.1. Fisioterapia en la prevención y tratamiento de las rigideces y anquilosis8. Es fundamental la prevención de estos cuadros, puesto que el tratamiento una vez establecido, es largo y costoso. Los puntos fundamentales en esta prevención son un buen tratamiento postural, con posturas funcionales, frente a cualquier problema del aparato locomotor que precise inmovilización y la aplicación lógica, prudente y progresiva de una pauta de movilizaciones de forma precoz y en cuanto ello sea posible. El tratamiento de las rigideces articulares puede pautarse de la siguiente forma: a) Termoterapia: la aplicación de calor aumenta la extensibilidad y elasticidad del tejido conjuntivo. b) Movilizaciones: pueden utilizarse movilizaciones activas, pero las movilizaciones pasivas y fundamentalmente los estiramientos, como movilizaciones pasivas mantenidas, son las técnicas más adecuadas. Estas movilizaciones pasivas deben seguir una serie de requisitos para que sean especialmente útiles: •

Multidireccionales: en todos los ejes de movimiento y no en uno solo. Con ello se favorece la formación de tejido laxo, mucho más fácil de distender.

•

Suave, progresiva y mantenida, siguiendo lo que se conoce como efecto crepé.

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Fisioterapia en las lesiones del sistema nervioso periférico.

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c) Órtesis correctoras: aparatos que favorecen una movilización pasiva forzada y mucho más mantenida en el tiempo que los estiramientos manuales. También seguirán las características de suavidad, progresión y mantenimiento. d) Liberación de adherencias estructuradas mediante técnicas de masoterapia, ultrasonidos (micromasaje), etc. En caso de anquilosis, la fisioterapia que se establezca no buscará nunca aumentar la movilidad perdida, pues ello es imposible, e incluso puede provocar nuevas lesiones. Se ha de actuar fisioterápicamente sobre las articulaciones y músculos vecinos, teniendo como finalidad la suplencia funcional del movimiento perdido.

1.3.2. Rehabilitación de la mano9. Muchas lesiones de la mano son leves o transitorias y la rigidez que pueden producir es insignificante o temporal; sin embargo, los traumas menores pueden dejar un tejido cicatrizal que compromete la intrincada anatomía de la mano y provocar alteraciones funcionales severas. Las lesiones de partes blandas con gran pérdida de tejido y las que comprometen además los componentes óseos y neurovasculares, pueden presentar problemas secundarios de rigidez articular, adherencias tendinosas y cicatrices retráctiles. Para prevenir o combatir estos problemas secundarios, se debe evaluar la mano y delimitar las prioridades para establecer el programa de tratamiento adecuado. La mano se debe considerar como una unidad funcional compuesta de segmentos individuales que tienen grados variables de compromiso.

Métodos de evaluación. Arco de movilidad articular (AMA). El conocimiento de la movilidad articular es fundamental en la conducta terapéutica de la mano lesionada. Uso cuidadoso del goniómetro para medir los arcos de movimiento pasivo y activo de cada una de las articulaciones proporciona informes sobre las situaciones de la articulación y estructuras capsulares (Fig. 6).

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Lesiones de la mano, cuidado primario y rehabilitación.

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Figura 6. El E goniómettro mide loss arcos de movimiento m o de las artiiculacioness

L Lesiones de d la mano o. Cuidado o primario y rehabilitación.

Se utiliza el método o recomendado por la Academ mia Americana de Ciirujanos O Ortopedista as, en el cu ual todo movimiento de d una artiiculación se e mide a partir p de u posició una ón «O» definida. La medida se exxpresa en grados g (Fig. 7).

Figura 7. El movimie ento se mide e en gradoss a partir de e la posició ón O (cero)..

L Lesiones de d la mano o. Cuidado o primario y rehabilitación.

La movilidad articula L ar se pued de evaluar además, al medir en e centíme etros la d distancia de e cada pulp pejo a la pa alma . Aunq que esta medida no es tan exactta como l que ofrec la ce el gonió ómetro, da un u conceptto de la cap pacidad fun ncional de la mano y con frecuencia es más m fácil de comprende er para el paciente. p (F Fig. 8)

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Figura 8. Se puede usar una regla para medir la distancia en ntre el pulpejo y la p palma.

L Lesiones de d la mano o. Cuidado o primario y rehabilitación.

Examen muscular. E m L evaluaciión de la fu La uerza de cada múscu ulo es otra técnica q proporrciona datoss reales y válidos que v cua ando la realizan manoss experime entadas. S basa en Se n la capacid dad de com mpletar el arrco de movimiento con ntra la acció ón de la g gravedad y contra la máxima m ressistencia ma anual. Es muy importante evitar la sustitución n al evalu uar la fue erza del músculo m r responsabl miento. e del movim L fuerza muscular La m se e interpreta como: ( Normal: Arco de (5) e movimiiento com mpleto c contra gra avedad-resistencia m máxima. ( Buena: Arco de movimiento (4) m completo, contra gravvedad y alg guna resiste encia. ( Regularr: Arco de (3) d movim miento comp pleto contra a gravedad - sin resiste encia . ( Mala: Arco de movimiento completo (2) c co on graveda ad eliminada a. ( Trazas: (1) ovimiento articular. Contraccción musccular sin mo (0) No hay y evidencia de contraccción. El examen muscular es e útil para:: a Evaluarr las lesione a. es de la neurona moto ora inferior. b Monitorrear la rege b. eneración nerviosa. n c Determ c. minar preoperatoriamente los músculos que pue eden serviir para t transferenc cias tendino osas. Evaluación E n funciona al. La evalu uación funccional es de e gran valor al produccir datos r referentes a la destre eza, coordinación, fue erza de agarre y pinzza y tamañ ño de la m mano. Se determina por una se erie de pruebas estan ndarizadas (fuerza de e agarre m medida co on dinamóm metro, fuerrza de pin nza, volume en de la mano, prueba de d destreza y coordinació ón, etc).

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Evaluación E n sensoria al. Para evaluar e el retorno de e la funció ón nerviosa a y por ( (consiguien nte el éxito o de las ne eurorrafias, son útiless entre otrras, las sig guientes p pruebas ne erviosas: • Evaluac ción de la fu unción seud domotora del d área com mprometida a de la man no. • Signo de d Tinel. Pa ara verifica arlo se com mienza a pe ercutir con suavidad la a punta del dedo y se prog gresa proxim malmente hacia h el lug gar de la lessión nervio osa o de orrafia. La presencia de "hormig gueo" que se irradia en sentido o distal, la neuro indica el e sitio de la a lesión o ell punto hasta donde el nervio se ha regenerrado. • Discriminación de dos punto os. Se ha sugerido s qu ue es el mejor m métod do para evaluar. Se dobla un «clip» como c un co ompás (Fig. 9). Las do os puntas del d «clip » se se eparan 6 mm, m medida a que generalmente re epresenta la diferencia entre una sen nsación norrmal (3-6 mm) m y una disminución de la sen nsación (más de 7 mm); y a lo largo del eje longitudina al del dedo en el centro c de la l zona comprometida se aplica una serie de uno y dos pun ntos, cinco veces consecu utivas. El sujeto de ebe identifficar corre ectamente cuatro de e cinco estímulo os. Si con 6 mm la id dentificación n no es co orrecta, las puntas dell clip se separan n 1 mm más y la pru ueba se re epite. Si la identificacción con 6 mm es correcta a, las punta as del clip se s aproxima an gradualm mente 1 mm m hasta cu uando el enfermo o no pueda identificar en forma correcta c cua atro de cincco estímulos.

Figura 9. Discrimina ación de doss puntos po or medio de e un clip.

L Lesiones de d la mano o. Cuidado o primario y rehabilitación.

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Manejo de la mano lesionada10. El tratamiento de la mano lesionada requiere un trabajo integrado entre el equipo rehabilitador y el paciente. A cada persona se le debe diseñar un programa fundamentado en los siguientes conceptos básicos: • Educación del paciente • Control del edema y del dolor • Posición adecuada • Ejercicios apropiados • Férulas • Actividades funcionales Educación del paciente. Para comenzar su tratamiento el paciente debe comprender que el problema con su mano es suyo y que él es el principal responsable del resultado. Luego, tiene que aprender cómo y cuándo debe realizar sus ejercicios y otros aspectos del programa. La falta de motivación por parte del paciente con frecuencia se origina en una pérdida de su autoestimación y por tanto su tratamiento debe incluir ayuda emocional. Control del edema y del dolor. El edema es una respuesta de la mano al trauma, pero su reducción es obligatoria desde el momento mismo de la lesión. El edema siempre representa un problema, pues retarda la cicatrización, produce dolor y rigidez y por lo tanto compromete los resultados funcionales. El edema se perpetúa: • Si se mantiene la mano en una posición colgante (Fig. 10). • Por excesiva manipulación o ejercicio. • Por falta de ejercicios activos. Una inmovilización adecuada debe facilitar la reducción del edema y del dolor y preservar la arquitectura ósea.

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Lesiones de la mano, cuidado primario y rehabilitación.

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Figura 10. La posición de la mano determina el edema.

Lesiones de la mano. Cuidado primario y rehabilitación.

Para tratar de reducir el edema y facilitar el retorno venoso y linfático se pueden usar una o varias de las siguientes técnicas: • Elevación. • Masaje retrógrado. • Ejercicios activos. La elevación es útil cuando la mano está más alta que la muñeca, la muñeca más alta que el codo, el codo más alto que el hombro, sin importar si el paciente está acostado, sentado o parado. La elevación se debe continuar hasta cuando el edema haya desaparecido por completo. La elevación es de primordial importancia en la reducción del dolor, sobre todo en los estados agudos y esto se le debe recalcar al paciente. El masaje retrógrado hecho en sentido distal a proximal para impulsar proximalmente los líquidos es de gran valor si no es doloroso y si se usa en combinación con la elevación de la extremidad y con ejercicios activos. El mejor mecanismo para prevenir o disminuir el edema de la mano después del trauma son los ejercicios activos de flexo-extensión de los dedos. Si el ejercicio activo se realiza con elevación de la extremidad, aumenta su efectividad. El movimiento activo ayuda a disminuir el edema porque la contracción muscular sirve de bomba efectiva para aumentar el retorno venoso y linfático a la circulación central. El movimiento articular previene las adherencias entre las superficies articulares durante la fase del edema. El remolino es una modalidad de calor que se usa con frecuencia en el tratamiento de los problemas de la mano. El remolino es excelente para promover el desbridamiento de las heridas abiertas pero se debe descontinuar tan pronto como la mano haya cicatrizado. Es necesario colocar a la persona con el codo en flexión

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y con la mano en la mayor elevación posible. Para disminuir el riesgo de aumentar el edema el enfermo debe retirar su mano del remolino y elevarla por encima de su cabeza y realizar «bombeo» activo durante un minuto de cada tres. El calor puede estar indicado para relajar la mano y hacer que el paciente se sienta más confortable antes de los ejercicios o actividades. Sin embargo se prefieren modalidades que se puedan aplicar con la mano en posición elevada tales como paquetes calientes o parafina. Posición. Después de la lesión, la mano tiende a permanecer en una posición «no funcional»: muñeca en flexión, pulgar en aducción o cruzado sobre la palma, las articulaciones metacarpofalángicas en hiperextensión y las interfalángicas en flexión produciendo un efecto de "agarre" (Fig. 11).

Figura 11. Posición mano en agarre.

Lesiones de la mano. Cuidado primario y rehabilitación.

La posición de seguridad es aquella donde existe la menor cantidad de fuerzas deformantes sobre la arquitectura ósea y las estructuras deslizables de la mano. En esta posición la muñeca está aproximadamente en diez grados de desviación ulnar y 20-30 grados de extensión; las ¡metacarpofalángicas en 60-80 grados de flexión y las interfalángicas en extensión. Así hay un buen equilibrio óseo para controlar las fuerzas de los músculos extensores, flexores o intrínsecos de la mano. Sin embargo, por períodos prolongados esta posición favorece la retracción de los músculos intrínsecos y por tanto, cuando es necesario inmovilizar la mano en esta posición por varias semanas al programa de tratamiento se deben incorporar los ejercicios de estiramiento de los músculos intrínsecos. El pulgar se debe mantener en abducción en un plano que esté en ángulo recto con la palma (Fig. 12).

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Figura 12. Posición de d segurida ad de la ma ano.

L Lesiones de d la mano o. Cuidado o primario y rehabilitación. Ejercicios.. Para que E e el trata amiento de e la man no tenga el mayo or éxito de la p posible es s necesarrio que el e paciente e mantenga la a actividad e extremidad d, siempre siguiendo las ordene es del tera apeuta 11 E Ejercicio activo a . Es E el realiza ado por la propia p fuerzza del pacie ente.

Ejercicio pasivo. E p Lo lleva a cab bo una fuerzza distinta a la contraccción musccular del á área comprrometida y lo hace la terapista o el mismo paciente em mpleando la mano n afectada no a. Los ejercic L cios se deben efectuar con un prropósito de efinido; ond dear el brazzo en el a aire y agita ar los dedo os no cond duce a nada y producce un miem mbro rígido o que el p paciente se e negará a usar. El ejercicio o activo tiene como o finalidad mantener la movilid dad articula ar y el d deslizamien nto tendino oso. Cuando se C e limita el arco de movilidad pasiva de ebido a rig gidez articu ular y/o r retracción de los te ejidos bland dos, se obtendrán o mejores re esultados con un e estiramient to suave y prolongad do que co on un estiramiento brrusco y co orto. La m manipulació ón brusca y descuida ada de las articulacion nes causa dolor reacttivo con m mayor infla amación, y hace h que la as articulacciones se vu uelvan cada vez más rígidas. Por consig guiente, la manipulacción violenta de las articulaciones, en lu ugar de m mejorar la situación s prroduce resu ultados dessastrosos. El dolor al movimientto pasivo es e una señ ñal de adve ertencia de e la articula ación al n nuevo traum ma de los tejidos. t El paciente p de ebe aprender que todo o ejercicio activo a o 1 11

Lesiones de d la mano, cuidado prim mario y rehab bilitación.

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pasivo debe ser tan suave que no p n produzca a dolor y re eacción tisu ular pero su uficiente p para ocasionar un esstiramiento o suave, no o un desga arre de lass adherenccias. La c clave del trratamiento es saber apreciar la diferencia d e entre dolor e incomodidad. La i incomodida ad resultan nte de una a fuerza ad decuadame ente aplica ada es ben néfica y d debe ser to olerable ya a que los te ejidos cede en de mane era gradua al a una fue erza de b baja magnitud aplicad da en form ma constantte. El dolorr es una señal que se s debe r respetar. Los ejerciicios se deben rea L alizar con n intensida ad, frecue encia e in ntervalo d determinad dos. Ejemp plo: cada ejercicio se s debe hacer h por diez segundos y r repetirse cinco veces cada hora. Férulas. Para F P comb batir la rigid dez, mucho os paciente es requiere en ciertos tipos t de f férulas en algún mom mento de su u rehabilitacción. Hay que q recorda ar que la fé érula no e la "soluc es ción" al pro oblema; es sólo una fase f del tra atamiento. Las férulass deben c colocar la parte lesio onada en reposo r y proteger p los tejidos compromet c idos de p presiones y traumas adicionale es. Las férrulas estáticas se em mplean cua ando el o objetivo deseado es la a inmoviliza ación (Fig. 13). • • • •

Proporc cionan un alineamiento a o articular adecuado. a Protege en las estructuras recie entemente reparadas.. Ayudan a controlar el edema,, y Permite en que los te ejidos se ad dapten a su us nuevas posiciones

a de perfil. Figura 13. Férula esttática, vista

L Lesiones de d la mano o. Cuidado o primario y rehabilitación. Las férulas s dinámicass (Fig.14): • Sustituy yen el pode er muscularr ausente.

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• • • •

Ayudan a los múscculos débile es. Previenen o corrigen deformid dades. Mantien nen el equilibrio muscu ular. Moviliza an determin nadas articu ulaciones.

Figura 14. Ejemplo de d una féru ula dinámica.

L Lesiones de d la mano o. Cuidado o primario y rehabilitación.

Estas féru ulas tambié én llamada as órtesis tienen que q suplir las necessidades a anteriorme nte mencio onadas y lo l hacen de d la siguie ente manera. La restaura L ación de la función no comporta forzosamen f nte la suple encia mecánica del m músculo de eficiente. La L estabiliza ación, máss fácil de conseguir, es e a menudo sufic ciente; éste e es el ca aso de la parálisis p ra adial, en la a que la esstabilización de la m muñeca pe ermite resta ablecer una gran parte e de las actividades12. La suplencia de la fun L nción no ess tampoco, de manera a obligada, permanente e. En la m misma parrálisis radia al, el conccepto de actividad a en n el lado dominante e puede j justificar un na acción complement c taria mome entánea, din námica, sobre los exte ensores d los dedo de os, combiná ándose con n la estabilizzación de la a muñeca. Otro objetiv O vo es la prrevención de d las defo ormidades. En efecto,, la actitud viciosa r resultante de d la pérdid da del equiilibrio musccular, debid da a la pará álisis parcia al de los e elementos motores, a veces agravada por la acción de la graved dad, puede abocar r rápidament te, antes incluso de un na eventual reinervaciión, a una deformació d n. Esto, a aunque no o sea mole esto, tiene el riesgo de d hacerse e irreductiblle a corto o largo

1 12

Órtesis y prótesis del d aparato locomotor extremidad superior

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plazo, al perder p p jueg go las artiiculacioness por la re etracción de d las estrructuras p periarticula res. L órtesis puede La p prevenir la defo ormación po or dos vías distintas. La primera es la suple L encia, resta ableciendo el equilibrio o muscular de manera a más o m menos com mpleta. Esta a es la acciión que rea alizan a nivel de la mu uñeca, desp pués de u una parális sis radial, la a órtesis dinámica de e Oppenheimer (Fig. 15) o la de e Wynn Parry (Fig. 16), que permiten una cierta mo ovilidad acttiva de la muñeca m y su uplen al r radial o los s radiales mediante m un n rodillo de caucho, co ontra resisttencia en el primer c caso, y con n un resorte e en espirall en el segu undo. La estabiliz L zación pue ede ser considerada como una alternativa a para prevvenir la d deformació ón. En la muñeca, m la a estabiliza ación es fu undamentall para una a buena f función. A nivel de lass vainas dig gitales, su déficit pued de ser orige en de rigide eces, si é éste es pro olongado. Las L órtesis para tratar la garra en n la parálisis cubital, sean s de t tipo estátic co tipo Lassso (Fig. 17 7), sean diinámicas -m menos rígid das y de carácter c p progresivo- tipo Wynn n Parry (Fig. 18), son ortesis o de limitación.

Figura 15. Ortesis de d Oppenh heimer parra parálisiss radial. Tiene el pelligro de p provocar un na rigidez de d las articu ulaciones metacarpofa m alángicas en e extensión n.

Ó Órtesis y prótesis de el aparato locomotor. Extremida ad superio or.

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Figura 16. Ortesis de Wynn Parrry para la parálisis p rad dial.

Ó Órtesis y prótesis de el aparato locomotor. Extremida ad superio or.

La órtesis puede L p tamb bién permitir la rehabillitación de un u músculo o afectado, gracias a la suplen ncia parcial por un «m motor» que e facilita el trabajo muscular, co omo los r rodillos de e caucho, que suple en más o menos de e manera importante e a los e extensores s de los ded dos en una parálisis ra adial. Finalmente e, también es posible protegerr una zona a expuesta a, desprovvista de s sensibilidad d, con una pequeña órtesis bland da, como un dedal de guante de silastic, p ejemplo por o.

Figura 17. Órtesis Ó tipo o Lasso parra la parálissis cubital.

Ó Órtesis y prótesis de el aparato locomotor. Extremida ad superio or.

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Figura 18. Órtesis tipo o Wynn Pa arry para pa arálisis cubital

Ó Órtesis y prótesis de el aparato locomotor. Extremida ad superio or. Contraindiicaciones, peligros y aplicaciión13. La órtesis C ó es un tratamiiento y, c como tal, tiene sus co ontraindicacciones, pelig gros e indiccaciones. Las contra aindicacion nes formalles. Son do os: los trastornos de la a sensibilid dad y de l troficida la ad, que exxponen las zonas de d apoyo a lesione es cutánea as, que r rápidament te se agravvan, y la im mposibilidad d de controlar al enferrmo, con el peligro d una colo de ocación ina adecuada de la órtesiss o de variaciones en cuanto c a su u lesión. Un cambio o de las solicitacione s es mecániccas, en re elación con n la evolucción del p proceso, puede p aboccar a lesiones, rigide eces o, com mo mal menor, hace er a las ó órtesis inefficaces. Los peligrros de la ortesis o son de orden trófico o arrticular. Tró ófico, en lass zonas d apoyo sensibles, de s q es nece que esario cono ocer (Fig. 19); articularr, por ejemplo, por i inmovilizac ción prolong gada de lass metacarpo ofalángicass en extenssión con una férula d Oppenh de heimer mal aplicada o excesivam mente grand de que realice el apoyyo sobre , o por sub l primera las as falanges luxación de e las metaccarpofaláng gicas por un n efecto d «vecindad» (Fig.20 de 0 ), o tambiién de una interfalángica distal por p mala ap plicación d una fue de erza en exte ensión, desstinada a la a interfalángica proxim mal, sin olvvidar las l lesiones de e compresió ón articular por un com mponente nocivo n (Fig. 21). Estas com mplicacioness son el re esultado de una mala concepcción de la órtesis ( (efecto de «vecindad» » no previssto, efecto de un com mponente de e compresión), de 1 13

Órtesis y prótesis p del aparato loco omotor extrem midad superior.

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una mala realización (órtesis demasiado larga, mal moldeada), de una mala colocación (elemento de la órtesis apoyado sobre la tercera falange) o de una mala aplicación. Aplicación. Teniendo en cuenta el carácter personalizado de las órtesis, sólo pueden seguirse a grandes rasgos los esquemas de su aplicación. La duración de su uso se adapta a la tolerancia, al progreso obtenido y, sobre todo, al objetivo que se pretende. Así, las órtesis de ayuda, cuyo papel es paliar una función ausente de manera momentánea o definitiva, se utilizarán durante las actividades diurnas, pero serán inútiles, y en ocasiones peligrosas, durante la noche. (un buen ejemplo es la órtesis para la parálisis radial, que restaura la extensión deficitaria de la muñeca y de las articulaciones metacarpofalángicas, colocando la mano en buena posición para coger objetos. Sin embargo, la posición prolongada en extensión de la muñeca y de las metacarpofalángicas llega a ser peligrosa, por el riesgo de retracción de los extensores de los dedos y por la rigidez que se produce a nivel de las articulaciones metacarpofalángicas en extensión.

Figura 19. Zonas «sensibles» de la mano.

Órtesis y prótesis del aparato locomotor. Extremidad superior.

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Figura 20. Efecto de «vecindad» que tiende a subluxar la metacarpofalángica provocando la aparición de un canto peligroso sobre la cara dorsal del dedo.

Órtesis y prótesis del aparato locomotor. Extremidad superior.

Las órtesis de prevención o de protección deben utilizarse cuando el riesgo al que se oponen esté presente. Este riesgo puede ser puntual, durante el día o en una actividad determinada, o permanente. Una zona de anestesia debe ser protegida por un dedal o un guante sólo en el curso de actividades que la exponen a agresiones cutáneas. Por el contrario, una sutura o un injerto nervioso deberán ser protegidos mediante un reposo absoluto durante un período de 15 a 20 días.

Figura 21. Componente de compresión articular.

Órtesis y prótesis del aparato locomotor. Extremidad superior.

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Las órtesis de corrección de las actitudes viciosas son las que plantean de hecho mayores dificultades para determinar el tiempo de aplicación ideal. Se trata generalmente de órtesis dinámicas, en las que los puntos de apoyo son siempre una amenaza para la piel que hay que tener en cuenta, sean cuales sean los cuidados con los que se realice su construcción. Hay que recordar que es mejor que traccionen débilmente durante largo tiempo que enérgicamente durante un tiempo breve, para evitar lesionar los tejidos. La vigilancia de estas órtesis debe ser estricta, y el paciente debe ser conocedor de ello, especialmente si observa trastornos sensitivos. El uso exclusivamente diurno se aconseja por lo general por períodos de media hora. Si al retirar la órtesis durante la noche hay una pérdida de eficacia, podemos remediarlo colocando durante este tiempo una órtesis estática en posición de corrección, pero deben rechazarse las órtesis dinámicas nocturnas.

Actividades funcionales.14 Los programas de ejercicios ayudan a evitar la rigidez pues aumentan el arco de movilidad articular y la excursión tendinosa, el tono de la piel y la circulación en el área lesionada. Además de los ejercicios específicos, es muy beneficioso que el enfermo realice algún tipo de actividad funcional. No es suficiente ganar cierto grado en el arco de movimiento; esto se debe combinar con el uso funcional de la mano, mediante algún tipo de actividad que ayude al paciente a entender que lo que cuenta "no es lo que se tiene sino lo que se hace con ello".

1.3.3. Lesiones nerviosas periféricas. Las lesiones en los nervios periféricos de la extremidad superior usualmente dejan como secuela, según el nivel y la severidad de la lesión, cierto grado de desequilibrio muscular, pérdida sensorial y disfunción concomitante. Los objetivos del tratamiento son: 14

Lesiones de la mano, cuidado primario y rehabilitación.

31

• • • • •

Recuperar la función motora. Recuperar la sensibilidad. Minimizar el tiempo de recuperación. Recuperar la máxima funcionalidad. Mantener el arco de movilidad de todas las articulaciones del miembro superior durante el período de recuperación

El programa de tratamiento incluye: Férula a las tres semanas, al retirar el Los objetivos de la férula son: • Mantener el arco de movimiento pasivo • Corregir las deformidades articulares • Limitar los patrones de sustitución • Facilitar el uso funcional de la mano Varían de acuerdo con el nervio comprometido .

vendaje

bultoso.

Nervio radial. En la mayoría de los casos es suficiente una férula que estabilice la muñeca. (Fig. 22). Figura 22. Parálisis radial

Órtesis y prótesis del aparato locomotor. Extremidad superior.

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Nervio me N ediano. En las lesiones proxima ales la féru ula ayuda a la flexión n de los d dedos y oposición o del pulgar; en las lessiones distales el én nfasis se hace h en m mantener el movimie ento pasivo o de la prrimera articculación ca arpometaca arpiana. ( (Fig.23).

Figura 23. Parálisis del mediano o

Ó Órtesis y prótesis de el aparato locomotor. Extremida ad superio or.

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la hiperexxtensión Nervio cu N ubital. El objetivo de la fé érula es bloquear b m metacarpof falángica.(F Fig. 24).

Figura 24. Parálisis cubital

Ó Órtesis y prótesis de el aparato locomotor. Extremida ad superio or. Estimulaciión con co E orriente gallvánica de los múscu ulos denerrvados. O Objetivos de d la estimu ulación: • Retarda ar el progreso de la atrrofia. • Mejorarr la circulación y la nuttrición del músculo. m A las dos semanas s iniciar ejerciccios activoss y pasivos de flexión y extensión n de las a articulacion nes interfalángicas. Se S debe prroteger la neurorrafia a, mantenie endo la m muñeca en n extensión n en las lessiones de nervio n radia al y en flexxión de los nervios m mediano y cubital. A las cuatro o semanas se inician los ejercicio os de la mu uñeca. A las nuev ve semanas se inician los ejerccicios de re eeducación n de los músculos d denervados s y fortalecimiento de los músculos indemne es. A las seis semanas s se e comienza a la reeduca ación senso orial que se e inicia con el tacto m móvil y con nstante; ussualmente se s recupera a de seis a ocho messes despué és de la n neurorrafia . El objetivo o de la ree educación sensorial es recuperrar la gnosis táctil, e decir, ap es prender a discriminar d t tamaño, forrma y peso o.

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Si hay limitación articular, las férulas dinámicas pueden utilizarse a partir de la séptima semana.

1.4 ÓRTESIS.

Estas son las diferentes órtesis que existen en el mercado actualmente y son similares al dispositivo del proyecto.

Figura 25. Órtesis de mano y muñeca

http://jaeco-orthopedic.com/productpages/mainlevel/who.html#od3

Constructor: JAECO Orthopedic Descripción: Tanto la palma como el antebrazo son construidos en aluminio. Es una férula articulada a la altura de la muñeca que permite los movimientos de extensión y flexión de la misma. Posee una banda de goma encargada de apoyar dichos movimientos.

Figura 26. Órtesis dinámica de muñeca Ambroise

http://www.rslsteeper.co.uk/NetsiteCMS/pageid/132/Wilmer%20Wrist%20Orthosis/ WilmerWristOrthosis.html

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Constructor: Ambroise Products Descripción: Ha sido desarrollada para el tratamiento de contracciones de flexión palmar y para la supresión de flexión palmar espasmódica, por ejemplo en los casos de deficiencia de nervio radial. Contiene un resorte ajustable, que corrige la posición de la mano en la dirección de flexión dorsal.

Figura 27. Bisagra flexora

http://jaeco-orthopedic.com/productpages/mainlevel/who_wd.html#od1

Constructor: JAECO Orthopedic Descripción: Construido en acero inoxidable y aluminio el sistema ejerce. Aprovechando el movimiento extensor de la muñeca y a través de un sistema de palanca transmite una fuerza flexora hacia los dedos, haciendo que estos tiendan a encontrarse con el pulgar para así generar un movimiento de enganche o sujeción.

Figura 28. Órtesis dinámica de muñeca.

http://www.kingsleymfg.com/KMFGStore/Catalog_Product.asp?product_id=DR41 W

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Constructor: Kingsley Mfg. Co. Descripción: Ésta órtesis tiene ajuste variable para la desviación ulnar y la desviación Radial, además tiene soportes de espuma y cables maleables, tiene límites de movimientos cada 15 grados y tiene diez posiciones predeterminadas por el fabricante. Es una férula dinámica ya que tiene la posibilidad de ajustar los arcos articulares según se necesite, pero una vez establecida la posición la férula podría tratarse uno una de tipo estático.

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2. DESARROLLO DEL PROYECTO

2.1 TEORÍA GENERAL DE DISEÑO

Para la prevención del síndrome de mano caída, las instituciones hospitalarias someten a sus pacientes internados en Unidades de Cuidados Intensivos (UCI), en etapa post operatoria o aquellos que se encuentran en estado de coma a rutinas diarias de terapias físicas de estimulación muscular. La efectividad de este tratamiento está condicionada por la intensidad horaria diaria de fisioterapia destinada a cada paciente por la entidad que está desarrollando su proceso de recuperación. Generalmente, esta disponibilidad horaria es insuficiente, si se toma en cuenta que con una hora diaria de terapia (tiempo promedio en instituciones ), los músculos afectados permanecen inactivos aproximadamente un 95% del día, generando así, en el paciente, problemas motrices como el que se propone tratar con el dispositivo del proyecto. El dispositivo desarrollado busca mantener los rangos articulares de la mano en su magnitud apropiada, así como mantener músculos y tendones en movimiento; de acuerdo con las necesidades de cada paciente, el barrido angular del movimiento debe cambiar para adaptarse a éste. El diseño de este dispositivo está encaminado hacia una solución modular que contemple de manera general los siguientes características (Fig.29 ):

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Figura 29. Correlación entre mó ódulos del aditamento o ortésico

La férula de L d sujeción está enca argada de limitar loss grados de d libertad d de la a articulación n que no están con ntemplados en el tra atamiento del síndro ome, así c como también, guia ar el movvimiento proporciona p ado por el e módulo motriz. C Consta de una férula para mano m y an ntebrazo, con una articulación n en la m muñeca que q permiite su ro otación; ade emás, es escualiza able buscando la a adaptabilid ad del disspositivo a diferentes tamaños de d brazos.

o está confformado po or una estructura El módulo de apoyo y control electrónico e la cual se apoya la férula y a su vezz será la base en b de to odo el disp positivo, p esta razón, por r tiene e propieda ades de esttabilidad y anclaje. Además, A contendrá l los circuito os de control electró ónico y lass interfacess de comu unicación con c los d demás mó ódulos. Módulo ele M ectromotriz consiste en e una estrructura que e sostiene e un servo o motor y le permite libertad d de desp plazamiento o en todoss los ejess, ya sea en x, y o z, lo cua al garantiza a su posiccionamiento o alineado o con el eje que se e ubica

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en la férula de sujeción, esto se hace para evitar cualquier daño en el tren de engranajes del motor, y en la propia férula, así como también se asegura que el paciente no sufrirá ningún daño colateral debido al mal funcionamiento mecánico del dispositivo. El módulo de visualización y parametrización comprende una pantalla LCD que hace las veces de interfaz gráfica con el usuario y los comandos de programación que permiten la manipulación del movimiento. El dispositivo debe poder utilizarse tanto en mano derecha como en izquierda , por consiguiente, se requiere que el módulo electromotriz y el módulo de visualización y parametrización, puedan ser ubicados en el costado izquierdo o derecho del módulo de apoyo y control según la necesidad del paciente. Este sistema busca generar un mejor nivel de vida en el paciente, evitando que su estadía en la institución hospitalaria traiga para éste la presencia de nuevas enfermedades.

2.2. PRIMER PROTOTIPO.

Para diseñar un primer prototipo de lo que debería ser el dispositivo, se recurrió a la implementación el método de ingeniería inversa sobre los productos similares encontrados en el mercado (Figs 25, 26, 27 y28). Del análisis sobre dichos dispositivos se extrajeron puntos claves a considerar en el diseño: 1) Eje de rotación: Se debe ubicar un eje de rotación concéntrico y paralelo a la articulación de la muñeca que permita la realización de barridos angulares que imiten los movimientos de flexión y extensión,(ver anexo 1), de dicha articulación. 2) Limitación de movimientos: Los grados de libertad presentes en la mano deben ser limitados de tal forma que solo sea posible la realización de los

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movimientos contemplados de la terapia, para el caso de este dispositivo esos movimientos son: tensión y extensión 3) Estabilización del dispositivo: Se debe configurar el antebrazo como la base de toda la férula. Por tal motivo, cualquier intento de estabilización o fijación del dispositivo debe realizarse sobre esta sección. Así mismo la longitud y el área involucrada para esta región (antebrazo) debe ser mayor a la involucrada de la mano y de la muñeca. 4) Ergonomía: Al ser un elemento de contacto directo con el paciente, la comodidad de este debe ser un factor esencial, las superficies rígidas deben adaptarse de la mejor manera posible a su anatomía. Así mismo se establecieron puntos clave de diseño a partir de objetivos específicos de este proyecto: 5) Escualización: Para conseguir una ecualización del dispositivo, y lograr de esta forma cubrir un alto porcentaje de la población objetivo, es decir las personas en UCI, en coma o con parálisis cerebral, es de vital importancia que la férula este constituida por múltiples piezas unidas entre sí por elementos de sujeción temporales. 6) Estética: Es conocido en el mundo médico el traumatismo mental que genera para el paciente la utilización de elementos invasivos o estéticamente agresivos (clavos, tornillos), por esa razón todo el diseño buscará reducir al mínimo la implementación de elementos metálicos o estéticamente agresivos (esquinas no redondeadas, colores fuertes) directamente sobre la extremidad. Partiendo de los anteriores principios fue diseñado un prototipo inicial (Fig. 30) que muestra un concepto general del funcionamiento y la conformación del dispositivo

41

Figura 30. Diseño primer prototipo.

1) 3) 5) 7)

Abrazadera antebrazo Caja unión Abrazadera muñeca Base antebrazo

2) Abrazadera metacarpial 4) Platina unión 6) Platina”L” 8) Eje de rotación

En este diseño preliminar es posible observar las secciones básicas, por las cuales debe estar conformada la férula: • Una base de estabilización para el antebrazo con un área de aplicación superior a las otras secciones. Ver Figura 30, pieza 7 • Un sistema de abrazaderas escualizables que permitirán un ajuste de gran tolerancia a diferentes dimensiones antropométricas. De igual forma, dichas abrazaderas presentan formas circulares que deberán garantizar la comodidad del paciente al momento de su instalación. Ver Figura 30, piezas 1, 2 y 5 • Sistema de rotación cuyo eje debe ser concéntrico y paralelo a la articulación de la muñeca. Este sistema, a partir del movimiento generado por un motor ubicado en alguno de los costados del antebrazo logrará imitar los movimientos de flexión y extensión propios de la muñeca. Ver Figura 30, piezas 6 y 8 • Como sistema transmisor del movimiento muñeca – mano se ha implementado una platina que hará las funciones de palanca. De esta manera el movimiento

42

•

generado por el motor, se verá reflejado en la mano del paciente, como la flexión y la extensión de la misma. Ver Figura 30,pieza 4 Finalmente, si se observa el diseño en conjunto, es posible identificar la ausencia de elementos o secciones de invasión total sobre el paciente, se ha limitado al máximo el área de contacto directo sobre la extremidad.

Las dimensiones de cada uno de los componentes del dispositivo han sido halladas de forma empírica a partir de las magnitudes antropométricas de un individuo específico, lo que limita dicho diseño para alcanzar el objetivo de estandarizar el producto para las dimensiones requeridas por un sector específico del mercado objetivo. En la fabricación de este primer prototipo (Figs. 31,32 y 33), las dimensiones seleccionadas en el diseño no han sido respetadas en su totalidad, se han convertido en referencias o límites y las dimensiones definitivas han surgido a partir del trabajo sobre un molde en yeso, de un brazo perteneciente a un hombre adulto, cuya fabricación fue requerida con anterioridad para la fabricación de una férula estática. La posibilidad del trabajo sobre este molde brindó un acercamiento realista a la anatomía de la extremidad, lo cuál relego a segundo plano y en muchos casos desvirtuó por completo las dimensiones determinadas en el diseño preliminar así como la geometría de varias de las secciones del dispositivo El proceso de fabricación fue el mismo que normalmente se emplea para la construcción de férulas comerciales, es decir, primero se toma una impresión en yeso del miembro a tratar, luego, se saca el positivo de este , para obtener un modelo tridimensional en yeso de la parte del cuerpo sobre la cual se va a trabajar. Sobre el modelo se realiza un proceso de termoformado utilizando láminas de poliestireno, del cual se sustraerán las secciones requeridas para la inmovilización del paciente, posteriormente se ensamblarán dichas secciones utilizando diversos medios de sujeción tales como tornillos, remaches, pasadores y velcro, por último se realiza un recubrimiento interno con espuma foamy y así como un proceso de pulido y acabado.

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Figura 31. Primer prototipo vista lateral

1) 3) 5) 7)

Abrazadera antebrazo Caja unión Abrazadera muñeca Base antebrazo

2) Abrazadera metacarpial 4) Platina unión 6) Platina”L” 8) Eje de rotación

Figura 32. Primer prototipo, despiece

1) 3) 5) 7)

Abrazadera antebrazo Caja unión Abrazadera muñeca Base antebrazo

2) Abrazadera metacarpial 4) Platina unión 6) Platina”L” 8) Eje de rotación

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Figura 33. Conjunto ensamblado del primer prototipo.

De la fabricación de este primer prototipo fue posible inferir los siguientes aspectos. • La longitud de la base del antebrazo no debe cubrir la totalidad de este, ya que si llega hasta la articulación de la muñeca limitaría la rotación de ésta. Por otro lado, para lograr la inmovilización del antebrazo no es imprescindible que abarque al mismo en toda su extensión. •

Se hace necesario desarrollar un sistema escualizable para la sujeción de la sección metacarpial, ya que, tanto ancho como alto cambian de una persona a otra.

•

Para mayor contención del antebrazo es indispensable que la altura de las abrazaderas sobrepase el eje longitudinal del mismo.

•

Ya que las abrazaderas construidas presentaban formas irregulares se hizo notable la necesidad de un estudio biométrico de la extremidad superior.

45

2.3. SEGUNDO PROTOTIPO

Para satisfacer las necesidades que se hicieron evidentes en el anterior diseño se hizo imperante generar un nuevo prototipo, el cual tiene todas sus dimensiones apoyadas en un estudio biométrico, realizado específicamente para este proyecto, el cual toma las medidas del antebrazo y mano de diferentes hombres y mujeres adultos de variadas edades. Una vez definidas las medidas y el diseño, se procedió a fabricar la férula, en prototipado rápido esto debido a que las formas de ésta, tenía geometrías muy complicadas para ser mecanizadas de cualquier otro modo, la técnica de prototipado utilizada fue “fused deposition modeling” o “el modelo fundido depositado”, el cual consiste en extruir una cantidad de termoplástico a través de una pequeña boquilla’. La máquina utilizada para este trabajo fue la impresora 3D “dimension”(Fig.34) la cual utiliza un sistema de boquillas, (Fig. 35), para generar tanto la estructura de soporte, así como también, el termoplástico ABS, y utilizando una estructura, que podría definirse como un robot cartesiano sobre un base que se mueve a través del eje z, va colocando el soporte y luego el termoplástico, según sea la necesidad. El termoplástico se va colocando en hilos de 1mm de grosor sobre el soporte, que previamente la máquina ha puesto para que el plástico cuando se seque no se vaya a doblar, además, sí la pieza tiene huecos o estructuras salientes, es importante que se generen varias capas de soporte para lograr que la figura tenga el mejor acabado posible,(Fig. 36), donde el ABS tiene color blanco y el material de soporte color café.

Figura 34. Dimension printing SST 1200

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Figura 35. Sistema de boquillas

La impresora toma los datos de la pieza mediante un software llamado “Catalyst”, toma la pieza con una extensión STL (Fig. 37), la ubica en la base, genera una simulación de la pieza ya construida con el soporte, genera el tiempo de construcción y da las instrucciones para el inicio y paro de la fabricación.

Figura 36. Pieza fabricada mediante prototipado rápido

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Figura 37. Arandela tipo STL

El ABS es un material que en condiciones normales tiene buenas propiedades mecánicas, pero, al pasar por la extrusión, las pierde en gran medida y hace que este material se vuelva cristalino y muy frágil. Por lo tanto para el análisis matemático de las piezas se toma un material, también termoplástico y muy utilizado en la industria, el poliestireno y las piezas de unión como lo son algunas platinas y los tornillos, en acero inoxidable para que puedan pasar las diferentes normas de asepsia a las cuales van a ser sometidos. Este nuevo prototipo (Fig.38) cumple escualizable y modular(Figs. 39,40 y 41).

Figura 38. Férula prototipo dos.

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con

las

características

de

ser

Figura 39. Férula desarmada completa.

Figura 40. Férula desarmada parte metacarpial.

Figura 41. Férula desarmada parte antebrazo y muñeca.

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El dispositivo completo (Fig.42) (Ver Anexo 4 plano 0), consta de la férula, la base de soporte, el control electrónico y motriz para el motor y el control.

Figura 42. Dispositivo ensamblado.

La base de soporte (Fig.43) es un armazón en aluminio cubierto en acrílico con una inclinación para mantener el brazo del paciente elevado y que la mano no choque con la superficie de la cama, también contiene la PCB, (Printed circuit board), del control electrónico, el encendido y los conectores para comunicar el control con el motor, además también sostiene la estructura del motor. Figura 43. Base de soporte

La estructura del motor, (Fig.44) permite acoplar de manera fácil el eje del motor con el eje de la férula y además, tiene movimiento en todas las 50

direcciones y tiene la capacidad de cambiar para que funcione tanto en la mano derecha como en la izquierda.

Figura 44. Estructura del motor.

Por último se encuentra el control,(Fig.45), es donde se seleccionan la amplitud de los movimientos de flexión y extensión y se le da inicio al ejercicio, también tiene un paro de emergencia y gracias a una pantalla LCD, (Liquid cristal display), se pueden visualizar toda la programación del dispositivo.

Figura 45. Control

51

2.4. ESTUDIO ANTROPOMÉTRICO

En búsqueda de un estudio antropométrico se recurrió a las tablas de ACOPLA 95, (compendio de medidas de la población colombiana) con el objetivo de hacer una aproximación geométrica de la conformación de mano y antebrazo, pero gran parte de la dimensiones requeridas para realizar este proceso no habían sido contempladas en el estudio. Debido a esto, se optó por la realización de un nuevo estudio enfocado en las medidas que se consideraban indispensables para el diseño de la férula. La férula está enfocada hacia personas adultas, por lo tanto, la muestra será escogida en sujetos entre los 20 y los 60 años de edad, repartidos en intervalos de cinco años, lo cual conlleva a la generación de ocho intervalos, distribuidos de la siguiente forma, 20-25, 26-30, 31- 35, 36-40, 4145, 46-50, 51-55, 56-60. Se estudiarán diez individuos por cada intervalo repartidos equitativamente en cada sexo. Las medidas contempladas fueron las siguientes: Ancho metacarpial. Esta medida corresponde al ancho de los cuatro últimos huesos (metacarpios) que conforma la región del metacarpo. Esta región constituye el esqueleto de la región palmar y por consiguiente delimita el ancho de la mano como tal (omitiendo el dedo pulgar). Es tomada por medio de un calibrador pie de rey entre el segundo y el quinto metacarpiano (base de los dedos índice y meñique aproximadamente) (Fig. 46),

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Figura 46. Ancho Metacarpial

Ancho Muñeca. Esta media corresponde al ancho de la articulación de la muñeca ubicada entre los segmentos tercero y cuarto del miembro superior, (antebrazo y mano). Es tomada por medio de un calibrador pie de rey entre el fin del antebrazo y el inicio de la muñeca (Fig. 47)

Figura 47. Ancho Muñeca

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Ancho Antebrazo. Esta medida corresponde al ancho máximo del antebrazo. Se habla de ancho máximo ya que esa sección del miembro superior presenta una forma aproximadamente cónica. Es tomada por medio de un calibrador pie de rey y ya que su corte transversal no es un circular debe ser ubicada la máxima magnitud. El punto de medición debe ser entre el fin del antebrazo y el inicio de la articulación del codo. (Fig. 48)

Figura 48. Ancho Antebrazo

Longitud Antebrazo. Esta medida corresponde a la longitud de la tercera sección del miembro superior (antebrazo). Es tomada por medio de una cinta métrica entre los puntos en que se tomaron los anchos de muñeca y de antebrazo. (Fig. 49)

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Figura 49. Longitud Antebrazo

Longitud Palma. Esta medida corresponde a la longitud de la región palmar omitiendo las falanges del dedo medio o corazón Es tomada por medio de una cinta métrica entre el punto en que se tomo el ancho de la muñeca y el inicio de la falange proximal del dedo medio (inicio del dedo) (Fig. 50)

Figura 50. Longitud Palma

Perímetro Metacarpial. Esta medida corresponde al perímetro del corte transversal en el punto en que se midió el ancho metacarpial. Es tomada por medio de una cinta métrica que envuelve la sección transversal que coincide con los puntos en que se definió el ancho metacarpial (Fig.51)

55

Figura 51. Perímetro Metacarpial

Perímetro Muñeca. Esta medida corresponde al perímetro del corte transversal en el punto en que se midió el ancho de la muñeca. Es tomada por medio de una cinta métrica que envuelve la sección transversal que coincide con los puntos en que se definió el ancho de la muñeca (Fig. 52) Figura 52. Perímetro Muñeca

Perímetro Antebrazo. Esta medida corresponde al perímetro del corte transversal en el punto en que se midió el ancho del antebrazo. Es tomada por medio de una cinta métrica que envuelve la sección transversal que coincide con los puntos en que se definió el ancho del antebrazo (Fig. 53)

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Figura 53. Perímetro Antebrazo

Altura Metacarpial. Esta medida corresponde a la altura del corte transversal en el punto en que se midió el ancho metacarpial. Es tomada por medio de un calibrador pie de rey en el punto en que se definió la anchura metacarpial, Los ejes longitudinales de las dos medidas (anchura y altura metacarpial) deben ser perpendiculares entre si sobre el mismo plano (Fig. 54)

Figura 54. Altura Metacarpial

Altura Muñeca. Esta medida corresponde a la altura del corte transversal en el punto en que se midió el ancho de la muñeca. Es tomada por medio de un calibrador pie de rey en el punto en que se definió la anchura de la articulación de la muñeca, Los ejes longitudinales de las dos

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medidas (anchura y altura de muñeca) deben ser perpendiculares entre si sobre el mismo plano (Fig. 55)

Figura 55. Altura Muñeca

Altura Antebrazo. Esta medida corresponde a la altura del corte transversal en el punto en que se midió el ancho del antebrazo Es tomada por medio de un calibrador pie de rey en el punto en que se definió la anchura el antebrazo, Los ejes longitudinales de las dos medidas (anchura y altura de antebrazo) deben ser perpendiculares entre si sobre el mismo plano (Fig.56) Figura 56. Altura Antebrazo

Los diferentes datos tomados fueron tratados de la siguiente manera, a cada grupo de valores, (Ver Anexo 3), se le hallo su media, mediana, moda y

58

desviación estándar, los

para

satisfacer la ecuación de la cual se obtendrán diferentes percentiles.

La ecuación es la siguiente: 15 (1) donde: Será la medida del percentil en centímetros, o sea, el intervalo dónde se incluye el porcentaje de la población o de la muestra. Es el número de veces que a está separada de la media. Es la media de la población. Es la desviación estándar. Para saber cuál es el valor de Z se consultó la siguiente tabla.

Tabla1. Percentiles15. P 1 y 99 2.5 y 97.5 3 y 97 5 y 95 10 y 90 15 y 85 20 y 80 25 y 75 30 y 70 40 y 60 50

Z 2.326 1.96 1.88 1.645 1.28 1.04 0.84 067 0.52 0.25 0

Y se obtienen los diferentes percentiles para hombre y mujer expresadas en las tablas 2 y 3.

15

Ergonomía 1: fundamentos

59

60

61

Como conclusión del estudio antropométrico, se logro hacer un acercamiento geométrico a la forma del antebrazo, fue posible modelarlo como un semi cono truncado ya que no alcanza a llenar todos los requisitos de un cono truncado debido a que sus secciones transversales no son circulares, son un cuadrilátero de esquinas redondeadas que podría asimilarse como un óvalo. Aunque no se logro unificar a una sola forma geométrica si se consiguió estandarizar las diferentes longitudes y perímetros en figuras regulares que podrán ser fácilmente analizadas al momento de definir una dimensión.

2.5. DISEÑO

Las medidas del antebrazo fueron modeladas como ecuaciones de la recta, siendo sus coordenadas definidas por los percentiles 50 en mujer y 95 en hombre, esto debido a que las diferencias dimensionales son muy amplias, para tomar la mayoría de hombres y de mujeres, lo cual conllevaría a un dispositivo muy robusto y se vería comprometida la esteticidad del mismo y el paciente estaría renuente a utilizarlo ya que lo vería demasiado invasivo. Fueron tomadas en cuenta las siguientes medidas, ancho de muñeca y de antebrazo, así como también, las medidas en alto de muñeca y antebrazo y la longitud del antebrazo , obteniéndose de esta manera las medidas, expresadas en la siguiente tabla:

Tabla 4. Tabla resumen de medidas para mujer percentil 50 y hombre percentil 95. MUJERES PERCENTIL 50 HOMBRES PERCENTIL 95 Medidas (mm) Medidas (mm) Alto Ancho Longitud Alto Ancho Longitud Antebrazo 63 84 200 80 111 241 Muñeca 37 54 46 68

62

De esta manera fue posible hacer un acercamiento geométrico del brazo como fue presentado anteriormente y está representado en las siguientes figuras.

Figura 57. Acercamiento geométrico del brazo mujer

Figura 58. Acercamiento geométrico del brazo hombre

63

Figura 59. Representación grafica de la recta numérica para ancho del brazo mujer.

Como se puede ver en la figura anterior la forma cónica del brazo, se puede entender como dos rectas simétricas sobre un eje, donde se toma la mitad del valor de los puntos extremos del brazo junto con la longitud del mismo para crear las coordenadas de la recta, (0,27) y (-200,42), con lo que se hallará la pendiente, (ver ecuación 2), teniendo este valor se procede a hallar el valor de la intersección de la recta con el eje y, dando como resultado la ecuación de la recta que se presenta a continuación(ver ecuación 6), lo mismo sucede para los restantes casos de alto del brazo mujer y el ancho y alto del brazo hombre. (2) (3) (4)

0.075 27

(5) Donde: m es la pendiente de la recta. x es la abscisa de la coordenada del punto(mm). b es el punto de corte con el eje y.

64

(6)

0.075

27

Ecuación para la anchura del brazo en el percentil 50 para mujeres basada en la forma del brazo como se muestra en la siguiente figura. Dada la ecuación (5) se obtiene la siguiente ecuación de la recta para el alto del brazo en el percentil 50 para mujeres(Fig. 60).

Figura 60. Representación grafica de la recta numérica para alto del brazo mujer.

(7)

0.065

18.5

Se obtiene la siguiente ecuación para el ancho del brazo en el percentil 95 para hombre(Fig. 61), de la ecuación (5).

65

Figura 61. Representación grafica de la recta numérica para ancho del brazo hombre

(8) 0.08 34 A partir de la ecuación (5) se obtiene la siguiente ecuación para el alto del brazo en el percentil 95 para hombres (Fig. 62).

Figura 62. Representación grafica de la recta numérica para alto del brazo hombre

(9)

0.070

23

Se describen a continuación cada una de las piezas en detalle, para poder dar una explicación más exhaustiva de las diferentes formas geométricas y de la función de cada una de ellas.

66

2.5.1. Abrazadera Muñeca. (Anexo 6, Planos. Hoja 4 y 5). A partir de la aproximación geométrica del brazo (Fig. 63), se ve la necesidad de desarrollar las abrazaderas en forma cónica para que se pueda adaptar a los contornos del brazo. Con este principio las ecuaciones de la recta proporcionan los puntos de referencia que garantizarán que la pieza cumpla sus requerimientos dimensionales y geométricos Ya que a partir del desarrollo del primer prototipo se pudo analizar cada una de las articulaciones comprometidas en el sistema, empíricamente se ha determinado una distancia de 40 mm. Desde la muñeca hasta la ubicación de la primer abrazadera, garantizando así el espacio de movimiento y la concentricidad de ejes requerida por la articulación de la muñeca para desarrollar sus movimientos de tensión y extensión.

Figura 63. Diseño geométrico abrazadera

Reemplazando en las ecuaciones (6) y (7), el punto inicial y el punto final de la abrazadera muñeca, puede ser definido el perfil frontal y el posterior de esta pieza

67

x frontal = punto inicial = 40 mm (Distancia mínima desde la muñeca hasta la ubicación de la primer abrazadera) x posterior = punto final = 90 mm (punto inicial+longitud abrazaderas) •

Perfil frontal

(10) Y= -0.075*(-40)+27 = 30 (Ancho mínimo) (11) Y= -0.065* (-40)+18.5 = 21.1 (Alto mínimo) •

Perfil posterior

(12) Y= -0.075* (-90)+27 = 33.75 (Ancho máximo) (13) Y= -0.065* (-90)+18.5 = 24.35 (Alto máximo) Las perforaciones para fijar la abrazadera (Fig. 64) estarán definidas por el desplazamiento que se quiera obtener de ella. En este caso la diferencia entre percentil 95 de hombre y 50 de mujer es de 7,2 m.m, de los cuales nuestra abrazadera tendrá que cubrir la mitad del rango (4 m.m aprox.) De esta manera con 2 perforaciones que possean esta distancia entre centros (4mm) se garantiza el cubrimiento de los puntos extremos del intervalo y con una tercera se esta aumenando el rango de operación en un 50% La separación entre cada línea de perforaciones definió buscando una distribución uniforme de los esfuerzos a lo largo de la longitud de la pieza

68

Figura 64. Diseño perforaciones abrazadera muñeca

La separación entre cada línea de perforaciones se basa en una distribución equidistante de cargas sobre la pieza. Las ranuras observadas en la pared de la abrazadera (Fig. 65).constituyen el apoyo de las correas de velcro que sujetarán en el eje z el antebrazo a la férula. Si se mira de abajo hacia arriba la primera ranura se encuentra justo en el centro de la abrazadera y la segunda ranura a 10 mm de ésta. La perforación en la saliente de la pared de la abrazadera actuará como eje de rotación, por eso su ubicación está definida por la posición de la articulación de la muñeca. Por último la perforación vertical en la pared corresponde a un pasador de fijación para el eje de rotación, por tal motivo debe encontrarse perpendicular a la perforación del eje, así como centrada en el espesor de la pared.

69

Figura 65. Perforaciones sujeción y eje abrazadera muñeca.

2.5.2. Abrazadera Antebrazo. (Anexo 6, Planos. Hojas 2,3 ). Como en el caso del diseño de la abrazadera muñeca, los puntos de referencia fueron obtenidos a partir de la ecuación de la recta del modelo geométrico del antebrazo (Fig. 66). Las ecuaciones de la recta que definen los puntos de referencia para este diseño son: Reemplazando en las ecuaciones (6) y (7), el punto inicial y el punto final de la abrazadera antebrazo, puede ser definido el perfil frontal y el posterior de esta pieza x frontal = punto inicial = 140 mm (Punto final abrazadera muñeca+distancia mínima entre abrazaderas x posterior = punto final = 190 mm (punto inicial+longitud abrazaderas) • Perfil frontal (14) Y= -0.075*(-140)+27 = 37.5 (Ancho mínimo) (15) Y= -0.065* (-140)+18.5 = 27.6 (Alto mínimo)

70

• Perfil posterior (16) Y= -0.075* (-190)+27 = 41.25 (Ancho máximo) (17) Y= -0.065* (-190)+18.5 = 30.85 (Alto mínimo)

Figura 66. Diseño de abrazadera antebrazo

Las perforaciones para fijar la abrazadera estarán definidas por el desplazamiento que se quiera obtener de ella. En este caso la diferencia entre percentil 95 de hombre y 50 de mujer es de 7,2 m.m, de los cuales esta abrazadera tendrá que cubrir la mitad del rango (4 m.m aprox.). La separación entre cada línea de perforaciones se basa en una distribución equidistante de cargas sobre la pieza.

71

Para conservar al proporción en la férula la distancia entre lineas de perforaciones y el numero de las mismas deben ser igual tanto para abrazadera muñeca como para abrazaderas antebrazo(Fig. 67).

Figura 67. Diseño perforaciones abrazadera muñeca

2.5.3. Base Antebrazo. (Anexo 6, Planos. Hoja 1 ). Las dimensiones de la base han sido definidas casi en su totalidad por el diseño de las abrazaderas. Como se mencionó anteriormente se definieron 40 mm de forma empírica de espacio libre para la articulación de la muñeca, de los cuales solo se obviarán 10 mm ya que los 30 mm restantes corresponden a la distancia que hay entre el inicio de la articulación de la muñeca y su centro de rotación. De esta forma la longitud de la base será igual a: la longitud del antebrazo – distancia de la articulación de la muñeca al inicio de la palma de la mano. (200 m.m – 30m.m = 170 m.m) Las perforaciones que unirán la pieza con su perfil deben limitarse a secciones en las cuales la base no posea ranuras o perforaciones que se intercepten, lo cual

72

deja habilitada un segmento de 50 mm en el centro definidos por la longitud d ela base – espacio libre en los dos extremos – longitud de las dos abrazadeas (170m.m – 20m.m -100m.m ). En este espacio se deben distribuir 2 perforaciones para evitar generar un eje de rotación, se ubicaron a 5mm de los extremos de la zona disponible para perforaciones y sobre el eje longitudinal de la pieza (Fig. 68) El ancho de la base fue definido por la construcción de las abrazaderas (Fig. 69). Figura 68. Diseño de las perforaciones en la base antebrazo

Figura 69. Diseño de dimensiones del antebrazo

73

2.5.4. Platina. (Anexo 6, Planos. Hoja 9). La pieza ira ubicada de forma coincidente a la cara externa de la pared de la abrazadera muñeca, por tal razón se deben alinear los ejes de ambas piezas (Fig. 70). La parte inferior de la pieza, tendrá una circunferencia mayor al ancho del resto de secciones, esto garantizará un acople con el eje del motor, que comercialmente es distribuido en dicha dimensión. Superada la circunferencia, el ancho de la pieza se reduce drásticamente y se mantiene uniforme por el resto de la trayectoria. Se implementa una curva a 90 grados que evitará la instalación de otra pieza que realizara el acople con la caja platina.

Figura 70. Diseño platina

La pieza deberá desplazarse exactamente en las mismas magnitudes, que las abrazaderas, de lo contrario, el dispositivo sería imposible de escualizar, por esa razón, la serie de perforaciones ubicada en cada una de las abrazaderas también deberá estar presente en la platina.

74

2.5.5 Base eje. (Anexo 6, Planos. Hoja 11). Esta pieza (Fig. 71) es una transición entre la platina y el eje del motor, ante la imposibilidad de conectar estos 2 dispositivos directamente, la base posee perforaciones por ambas caras que hacen nivelar la superficie del acople del motor, el cual presenta la protuberancia de la cabeza de su tornillo de fijación y hace el mismo proceso con la cabeza del pin ubicado en la platina. Todas sus dimensiones han sido dadas por las dimensiones de la platina y el acople del motor.

Figura 71. Diseño base eje

2.5.6 Pin platina. (Anexo 6, Planos. Hoja 8). Este pin se convertirá en el eje de rotación para la platina, es una geometría sencilla definida por los espacios destinados al eje de rotación en la platina, y el diámetro y profundidad de la cabeza destinada en la base eje (Fig. 72). La sujeción se hará mediante un perno que entrará de forma perpendicular al pin a través de la perforación vertical 75

ubicada en la pared de la abrazadera muñeca, y se alojará en un perforación realizada también de forma perpendicular en el eje del pin, por tal motivo es indispensable que estas dos perforaciones (perforación en el eje del pin y perforación en la pared de abrazadera muñeca) guarden siempre una relación de concentricidad. Figura 72. Pin platina

2.5.7 Caja platina. (Anexo 6, Planos Hoja 10). Esta pieza albergara las dos platinas, con el mismo principio utilizado en la base antebrazo, como las platinas ya poseen la serie de perforaciones para ajuste de posición, la caja solo tendrá que contar con una perforación por cada platina, ubicadas a 11mm de sus extremos, dimensión delimitada por la ubicación de la serie de agujeros en la platina (Fig. 73). Es primordial ubicar los agujeros en las platinas de tal manera que nunca se encuentre en el centro de la caja, ya que este será atravesada por 2 tornillos que aseguran la platina de unión que enlaza la sección del antebrazo con la sección de la mano. El centro de la caja será atravesada por 2 tornillos para evitar formar un eje de rotación en una unión que se necesita rígida como lo es la 76

unión platina unión – caja platina. La longitud de la caja no puede exceder la distancia mínima que hay entre abrazaderas de muñeca izquierda y derecha.

Figura 73. Caja platina

2.5.8 Platina unión. (Anexo 6, Planos Hoja 33). (Fig. 74) Esta pieza entrelaza la sección de antebrazo con la de mano, su dimensión crítica es la distancia entre perforaciones en su extremo, ya que estas deben encajar perfectamente con las perforaciones de la caja platina (Fig. 73). La ranura brinda una gran tolerancia dimensional, esto debido a que la longitud de la palma de la mano es muy variable lo cual permite que la mayor cantidad de personas puedan usar la férula. En el momento se han diseñado 2 platinas diferentes, en las cuales sólo varía su longitud, siendo la más pequeña adaptada para la medida de longitud de palma para mujeres de percentil 50, (Ver Tabla 2), hasta más o menos la mitad de la diferencia entre esta y la medida en hombres de percentil 95, (Ver Tabla 3), la segunda platina abarca las medidas desde el

77

punto final de la platina anterior hasta la medida del hombre percentil 95, fue necesario crear dos platinas ya que la diferencia dimensional era muy grande y comprometía la estética de la férula. Al momento de diseñar las platinas se necesita tener en cuenta cierta información, como por ejemplo, que la platina representa la longitud de la palma por lo tanto se debe asegurar que desde la mitad de los dos agujeros hasta el inicio del agujero alargado de la platina “small”, así como también hasta el final del mismo agujero en la patina “large”, se mantengan como mínimo la medida de longitud de palma de la mujer en percentil 50 y como máximo, en percentil 95 de hombre.

Figura 74. Platina unión

2.5.9 Caja platina metacarpial. (Anexo 6, Planos Hoja 30). (Fig. 75) es la unión que permite la sujeción del soporte metacarpial con el resto de la férula, tiene la función de mantener el centro de la estructura metacarpial, para su posterior unión con la platina; tiene dos filas de agujeros para aumentar proporcionalmente las dimensiones del soporte, de acuerdo, con la magnitud de ancho de la mano y estos agujeros se hicieron en zig-zag, debido a la precisión de sus dimensiones. Al hacerlos de esta manera se puede aumentar alrededor de 2.5 mm a cada lado lo cual asegura que se van a mantener proporciones con el cambio en la abrazadera metacarpial. Al momento de hacer el ensamble los pasadores quedan a la misma distancia pero en sentidos opuestos para generarle estabilidad a la pieza.

78

Figura 75. Caja platina metacarpial

2.5.10 Platina soporte metacarpial. (Anexo 6, Planos Hoja 27). Esta platina, (Fig.76), en la parte superior tiene dos agujeros que coinciden cada uno con dos posiciones diferentes en la caja metacarpial y un agujero que coincide con el del sujetador large para colocar un eje, cuya función será que las abrazaderas metacarpiales no generen un movimiento que produzca malestar en la palma de la mano del paciente. Además la altura de este eje con respecto, a la caja metacarpial debe ser la misma, que la obtenida del eje del motor a la caja de la platina de la muñeca, para que el paciente siempre comience con una posición cero, es decir, con la articulación de la muñeca alineada con las articulaciones metacarpiales. De ésta manera, el paciente no tendrá que esforzar los movimientos de flexión y extensión, sea cual fuere el caso.

79

Figura 76. Platina soporte metacarpial

2.5.11 Eje metacarpial. (Anexo 6, Planos Hoja 25,28). Este eje es el que permite el movimiento entre el sujetador y la platina de soporte. Consta de dos partes que son: un tornillo y una camisa roscada para ajustar, pero en este caso se utiliza para poder desmontar el soporte del resto de la unidad metacarpial y es el que en realidad está soportando las cargas generadas como lo son el peso de la mano y el peso de la propia estructura (Fig. 77). Figura 77. Eje metacarpial.

80

2.5.12 sujetador. (Anexo 6, Planos Hoja 24). El sujetador viene en tres presentaciones “small”, “médium” y “large”, debido a que la abrazadera metacarpial tiene tres alturas y es necesario siempre conservar el centro de esa altura para mantener la mano del paciente en posición cero. Tiene cuatro pasadores en las paredes del sujetador lo que le permite mantenerse unido a las abrazaderas de manera firme y sin que haya ningún pivote, todas estas uniones se hacen por medio de tornillos los cuales permiten que la modularidad de la férula se mantenga (Fig. 78).

Figura 78. Sujetador.

2.5.13 Abrazadera metacarpial. (Anexo 6, Planos Hoja 21). La abrazadera metacarpial, (Fig. 79), está diseñada de tal manera que permite agrandar la férula en alto y ancho metacarpial. De esta manera le será útil a la mayor cantidad de personas. La posición inicial está dada por las propias dimensiones de la abrazadera, que fueron tomadas de la altura y el ancho del percentil 5 en mujeres y se obtienen unos valores de 25mm y 75mm, respectivamente. Para lograr que sea escualizable se toman los mismos valores en altura y ancho, pero esta vez en hombres del percentil 95, de lo cual se tienen los siguientes valores: 36mm y 91 mm, haciendo una

81

diferencia en altura de 11mm y en ancho de 16mm. Dado que en 11mm caben 3 orificios de 3mm, la altura tendrá 3 posiciones, sucede algo similar con el ancho solo que en esta diferencia caben cuatro orificios y por consiguiente se obtienen cuatro posiciones. La abrazadera también lleva una ranura en una de sus caras para permitir que la cabeza del eje entre y no interfiera con la unión entre la misma abrazadera y el sujetador.

Figura 79. Abrazadera Metacarpial.

2.5.13 Platina metacarpial. (Anexo 6, Planos Hoja 22). La platina metacarpial cumple la función de hacer escualizable la férula en la sección metacarpial, tiene en un lado cuatro y en el otro tres agujeros, respectivamente, para permitir los cambios en altura y ancho según sean necesarios y además ayudan para que la férula tenga estabilidad y simetría en su funcionamiento (Fig. 80).

82

Figura 80. Platina Metacarpial.

2.5.14. Base de soporte. (Anexo 6, Planos Hoja 33). Es una estructura en aluminio que contiene el control electrónico de la órtesis en su interior y está recubierto en acrílico para darle a este armazón un mejor aspecto y para que al paciente le sea más fácil su asimilación (Fig.81). A esta estructura se le acopla el soporte del motor en cualquiera de sus caras laterales, esto debido a que el dispositivo se debe poder colocar en ambas manos sin excepción, lo mismo sucede con el control, se cambia de lado para que su manejo sea lo más fácil posible y en ningún momento incomode al paciente.

83

Figura 81. Base de soporte

La geometría del soporte, (Fig.82), consiste en una base inclinada, para que la mano del paciente no choque con la superficie de la cama. El plano inclinado sobre el cual se sostiene el brazo está elevado para que el codo tampoco quede sobre la cama e incomode al paciente y le pueda ocasionar daños colaterales. Figura 82. Geometría de la base.

84

Las medidas de la base corresponden a las siguientes: se tomó la medida de una mano de un hombre, esto dio 170mm y se estableció que el grado de inclinación de la mano en flexión es de 55 grados, generándose así un triángulo rectángulo,(A), con la mano y la parte más alta de la base inclinada y por medio de funciones trigonométricas se estableció el valor de esta. (18)

35°

(19)

144.94

Siendo x el lado más alto de la base inclinada, y ya que los 170mm comienzan desde la muñeca se debe restar el alto de la misma que es 46mm, por lo tanto, el valor real de este lado es de 98.94mm, pero para hacer más fácil su fabricación se redondeó a 100 mm. La base del plano inclinado tiene la misma longitud de la base para el antebrazo ya que esta va sujeta allí y para saber cuál es el grado de inclinación de éste se genera un segundo triángulo (B). De éste se obtuvieron las siguientes ecuaciones: 50/170

(20)

50

(21) (22)

170

19°

Donde α es el grado de inclinación de la base. 2.5.15. Estructura del motor. (Anexo Planos. Hoja 33). Para acoplar los ejes del motor y la férula es necesario crear una estructura(Fig.83), que genere movimiento en todos los ejes. Ya sea a los lados (Fig.84) o hacia arriba y hacia abajo(Fig.85), para garantizar que el eje quede alineado y no se vaya a dañar el tren de engranajes del motor o lo que es peor generar un movimiento que pueda maltratar al paciente; un movimiento en profundidad para ajustar el motor cuando se adapte la abrazadera a los diferentes tamaños del antebrazo, además el propio motor tiene un armazón,(Fig.86), que hace las veces de camisa para lograr el movimiento antes mencionado

85

y para ge enerar esta abilidad en n el mismo, de esta forma, se garantiza que el m motor no se s moverá á dañando así la férula. Figura 83. Estructura del motor.

Figura 84. Movimiento lateral de e la estrucctura

86

Figura 85. Movimiento o hacia arriba y hacia abajo de e la estructtura.

Figura 86. Movimiento en profu undidad y el e armazón del motor

2 CÁLCU 2.6. ULOS MA ATEMÁTICO OS

Para el desarrollo de d los cálculos de la Férula se tienen las s suposicione es:

87

guientes sig

•

•

Para comenzar el análisis es necesario tomar todo el marco como una sola unidad, la cual está conformada por las dos abrazaderas metacarpiales, las platinas metacarpiales y los dos sujetadores large, de donde, se obtiene el siguiente diagrama de cuerpo libre y las reacciones presentes en éste. Ya que el paciente está en estado de coma, en la unidad de cuidados intensivos o es una persona con parálisis cerebral, no tiene movimientos diferentes a los de la propia férula, entonces, las fuerzas en los planos x y y, son despreciables.

Figura 87. Diagrama de cuerpo libre marco metacarpial

.

. . .

.

.

(23) .

0 (24) (25) (26) 4.6415 4.6415

0 /2 /2

88

Para hallar las reacciones presentes en el sujetador large es indispensable suponer lo siguiente: • La parte de la palma de la mano que está sujeta directamente por la férula se apoya en el centroide de la abrazadera y la platina inferior del marco metacarpial. • Los pasadores están centrados y por lo tanto reciben todos la misma carga. Y de esta forma se obtiene el diagrama de cuerpo libre presentado a continuación (Fig. 88):

Figura 88. Diagrama de cuerpo libre sujetador large

0 (27) 4 0 /4 (28) 4.6415 /4 1.1603 Se necesita hacer el análisis de la abrazadera metacarpial para saber si en un caso crítico, como el que se muestra en la figura, el material resistirá todas las fuerzas aplicadas.

89

Figura 89. Caso crítico

El caso crítico mostrado refleja la situación en la que el peso de la mano es tan grande que se flecta la platina metacarpial, produciendo dos reacciones que pueden maltratar el material de la abrazadera y llevarlo hasta su ruptura.

Figura 90. Diagrama de cuerpo libre de la abrazadera metacarpial

0 (29) (30) 4 4.6415

4

0

90

Figura 91. Diagrama de cuerpo libre de la abrazadera metacarpial

0 0

(31) 0 69.99 10 (32) 0.3248 23.18 (33) 4.6415 23.18 18.53

14.01 10 /14.01 10

0

0 0

La platina de unión soporta tres pesos diferentes que consisten en: el peso de marco contemplado anteriormente, el peso del soporte metacarpial, incluidos las patinas y su respectiva caja de unión y, por último, su propio peso, en Rv esta plateada la reacción que tendría la platina de la muñeca y el momento que se produciría cuando se somete a la platina de unión estos pesos.

91

Y tiene el siguiente diagrama de cuerpo libre

Figura 92. Diagrama de cuerpo libre para la platina de unión

.

.

0.2568 ′ ′

.

.

0.3675 (34) 9.283 9.5398 2.814

0.2568

0 0

(35) 2.814 12.35

9.5398

0

0 (36) 2.814 0.1837 1.429

65.3 10 65.3 10 9.5398 1.2458

130.6 10 130.6 10

0

Para el estudio de la platina de unión es necesario considerarla como una viga en voladizo, y observar cual será su comportamiento cuando ésta se someta al peso contemplado anteriormente. Para hallar la deflexión es

92

necesario hallar la ecuación de la curva elástica y de esta manera obtener cual será la deformación que sufrirá la viga.

Figura 93. Platina unión large

Figura 94. Diagrama de cuerpo libre de la platina para su deflexión.

(37) Ecuación de la curva elástica (38)

0

(39) (40) Sustituyendo (39) en (40)

93

(41) Como (37) (42) Integrando (43) 1 1 2 Condiciones de frontera x=L , θ= dy/dx= 0 1

(44)

1 9.8518 110.9 10 2 1 0.0605 Integrando

1

1

(45) 1 6

1

2

Condiciones de frontera X=L y y=0 0.0605

(46)

1 9.8518 110.9 10 6 2 0.0045 Cuando x=0 1 0 1 0 6 (47) (48) 1

1

2 0.0605

110.9 10

2

2

12

12 14 10 3.15 10 Dado que es acero 1.9*1011 N/m2

3 10

inoxidable fundido su

94

módulo de elasticidad es de

0.0045 1.9 10 3.15 10 0.000075

Se traslada el momento Mv hasta la base del motor para analizar cuál es la fuerza a la que están sometidos los pasadores.

Figura 95. Diagrama de la base motor

(49) 1.429 2

11 10 64.95

Para hallar cual es la reacción en analizarla como un conjunto.

95

la base de la férula es necesario

Figura 96. Diagrama de cuerpo libre.

W W

273 10 kg 2.683N

W W

1.9kg 9.8 m⁄s 18.62N

W

8.82N F

0 (49) W

R

9.8 m⁄s

W 18.62 50

W 8.82 30.12

W W 2.683

W

R

0

Potencia del motor. Se puede encontrar la potencia del motor, tratando la férula como una articulación simple, lo cual quiere decir que se toma la distancia de la platina unión y multiplicarlo por el peso, tanto de la mano, así como también el peso de la estructura desde la muñeca hasta la estructura metacarpial (Fig.97).

96

Figura 97. Estructura a tenerse en cuenta para el peso.

(51) (52) 1.593 (53)

8.82 10.413

127.60 10 10.413

127.60 10

1.328

(54)

Dado que según indicaciones médicas el ejercicio se debe hacer mínimo 20 veces por minuto, entonces se tiene que el requerimiento en rpm mínima del motor es de 20, y para hallar la potencia se tiene que: (55)

0.1047

2.094 (56) 1.328

2.094

97

2.7808 Para este motor se tiene que la eficiencia es de 0.9 y la eficiencia mecánica es de 0.85, entonces: (57) 2.7808 0.9 0.8 3.862 Según las ecuaciones anteriores la potencia final requerida es de 3.862 .

2.6.1. Esfuerzos normal, cortante y de aplastamiento Esfuerzo cortante de los pasadores. La ecuación para el esfuerzo cortante es:

(58)

Figura 98. Esfuerzo cortante sobre el pasador

(59) 4.6415 1 2.7 10 4 810664.10 / 98

Dada la ecuación (58) y sustituyendo los datos de fuerza por 1.1603 área

por

1.5 10

656595.48 /

se

tiene

que

el

y el

esfuerzo cortante

es

.

Figura 99. Esfuerzo cortante sobre el pasador

Debido a la ecuación (58) y cambiando los valores de Fuerza por 4.6415 el área por 2626551,71

1.5 10

y

da como resultado un esfuerzo cortante

.

Figura 100. Esfuerzo cortante sobre el pasador

99

Debido a la ecuación (58) y cambiando los valores de Fuerza por 64.45 el

área

por

20515072.16

2 10

da

como

resultado

un

esfuerzo

y

cortante

.

Figura 101. Esfuerzo cortante sobre el pasador

Esfuerzo cortante en las paredes de la abrazadera metacarpial. Cambiando los valores de fuerza por 23.18 y de área por 14 10 , en la ecuación (58) se obtiene 10 551904.76 / .

Figura102. Esfuerzo cortante sobre la pared de la abrazadera metacarpial.

100

3 que

Dada la ecuación (58) y sustituyendo los datos de fuerza por 18.53 y el área por 14 10 3 10 se tiene que el esfuerzo cortante es 441190.47 / .

Figura103. Esfuerzo cortante sobre la pared de la abrazadera metacarpial.

Esfuerzo cortante de la platina de la muñeca De la ecuación (58) e intercambiando los valores de fuerza y área por 12.35 y 20 10 3 10 , respectivamente, se tiene que el esfuerzo cortante es 205833.33 / .

Figura104. Esfuerzo cortante sobre la platina muñeca.

101

Esfuerzo cortante de la platina de Unión Debido a la ecuación (58) y cambiando los valores de Fuerza por 9.8518 y el área por 4.2 10 da como resultado un esfuerzo cortante 234566.66 / . Figura 105. Esfuerzo cortante sobre la platina unión.

Esfuerzo cortante de la base antebrazo De la ecuación (58) e intercambiando los valores de fuerza y área por 30.12 y 35 10 9 10 , respectivamente, se tiene que el esfuerzo cortante es 95619.04 / .

Figura 106. Esfuerzo cortante sobre la base del antebrazo.

Esfuerzo normal en los apoyos de los pasadores. El esfuerzo normal tiene la siguiente ecuación.

102

(60)

Á

(61) 4.6415 3 10 5.4 10 286512.34 /

Figura107. Esfuerzo normal en los apoyos del pasador.

Dada la ecuación (60) y sustituyendo los datos de fuerza por 1.1603 y el 3 10 se tiene que el esfuerzo normal es área por 3 10 128922.22 / .

Figura108. Esfuerzo normal en los apoyos del pasador.

103

Debido a la ecuación (60) y cambiando los valores de Fuerza por 4.6415 y el área por 7 10 3 10 da como resultado un esfuerzo normal 221023.80 / .

Figura109. Esfuerzo normal sobre la pared del pasador

Dada la ecuación (60) y sustituyendo los datos de fuerza por 64.45 y el área por 3 10 3 10 se tiene que el esfuerzo normal es 7161111.11 / .

Figura 110. Esfuerzo normal sobre la pared del pasador.

104

Esfuerzo normal en las paredes de la abrazadera metacarpial. Reemplazando los datos de fuerza y área, por 23.18 y 75 10 14 , respectivamente en la ecuación (60), da como resultado 10 22076.19 / .

Figura 111. Esfuerzo normal sobre la pared de la abrazadera metacarpial.

Dada la ecuación (60) y sustituyendo los datos de fuerza por 18.53 y el 14 10 se tiene que el esfuerzo normal es área por 75 10 17647.61 / .

Figura 112. Esfuerzo normal sobre la pared de la abrazadera metacarpial.

105

Esfuerzo normal de la platina de la muñeca Dada la ecuación (60) y sustituyendo los datos de fuerza por 18.53 y el área por 20 10 38 10 se tiene que el esfuerzo normal es 16250 / .

Figura 113. Esfuerzo normal de la platina muñeca.

Esfuerzo normal de la platina de Unión Debido a la ecuación (60) y cambiando los valores de Fuerza por 9.8518 y da como resultado un esfuerzo normal el área por 5.8 10 16985.86 / .

Figura 114. Esfuerzo normal de la platina unión.

106

Esfuerzo normal de la base del antebrazo Dada la ecuación (60) y sustituyendo los datos de fuerza por 18.53 y el área por 170 10 35 10 se tiene que el esfuerzo normal es 5062.18 / .

Figura 115. Esfuerzo normal de la base del antebrazo.

Esfuerzo de aplastamiento en las paredes de los pasadores El esfuerzo de aplastamiento tiene como ecuación la siguiente: (62) (63) 4.6415 8.48 10 3 10 182448.89 / Figura 116. Esfuerzo de aplastamiento en la pared del pasador.

107

Dada la ecuación (62) y sustituyendo los datos de fuerza por 1.1603 y el área por 3 10 4.7 10 se tiene que el esfuerzo de aplastamiento 82290.78 / . es

Figura 117. Esfuerzo de aplastamiento en la pared del pasador.

Debido a la ecuación (62) y cambiando los valores de Fuerza por 4.6415 y el área por 7 10 4.7 10 da como resultado un esfuerzo de aplastamiento 141079.02 / .

Figura 118. Esfuerzo de aplastamiento en la pared del pasador

108

Dada la ecuación (62) y sustituyendo los datos de fuerza por 64.45 y el área por 3 10 4.7 10 se tiene que el esfuerzo de aplastamiento es 4570921.98 / .

Figura 119. Esfuerzo de aplastamiento en la pared del pasador

Tabla 5. Resumen de esfuerzos calculados. Poliestireno

Nombre

Esfuerzo (N/m2)

τre1 τrf τre3 τFP τrp1 τrp2 τrv τP τR σre1

810664,1 656595,48 2626551,71 20515072.16 551904,76 441190,47 205833.33 234566.66 95619.04 286512.34

Acero inoxidable Fluencia

Tensión (N/m2)

Cortante (N/m2)

Tensión (N/m2)

Cortante (N/m2) 150000000 150000000 150000000 150000000

27500000 27500000 27500000 150000000 27500000 55000000

109

σrf σre3 σFP σrp1 σrp2 σrv σP σR Are1 Arf Are3 AFP

128922.22 221023,8 7161111.11 22076,19 17647,61 16250 16985.86 5062.18 182448.89 82290,78 141079.02 4570921.98

55000000 55000000 55000000 55000000 55000000 55000000 260000000 55000000 55000000 55000000 55000000 55000000

2.6.2 Análisis de Resultados: •

El marco metacarpial constituido por las abrazaderas, las platinas metacarpiales y los sujetadores están soportando una fuerza, en dirección de z negativa, cuyo valor contempla el peso ejercido por una mano de 900 g y el peso del mismo marco, cuya masa es de 47.25 g, dado que el marco se sostiene por medio de dos ejes que están centrados , la fuerza dada por el peso, se divide equitativamente entre ambos ejes dando como resultado , que las reacciones en cada uno de los ejes sean de 4.6415N. Debido a esta fuerza se generaron varios esfuerzos como lo son el esfuerzo cortante debido al pasador, el esfuerzo normal del apoyo del pasador y un esfuerzo de aplastamiento en las paredes de los pasadores. El esfuerzo cortante dio como resultado 810664.10 / y comparándolo con la fluencia en cortante para el acero inoxidable que es de 150 10 / , se puede inferir que el tornillo resiste esa fuerza sin deformarse. Lo cual puede verificarse en la figura 120 que es un simulación de lo que le sucede a la pieza, en este caso el tornillo cuando es sometido a esta fuerza.

110

Figura 120. Diagrama de deformaciones del tornillo.

SolidWorks 2005. Donde se observa que la máxima deformación que sufre el tornillo es de 7.900 10 , lo cual es despreciable para el análisis El esfuerzo normal dio como resultado 286512.34 / y comparándolo con la fluencia en tensión para el poliestireno que es de 55 10 / , se puede deducir que el apoyo del pasador sufre ninguna deformación mínima a causa de la fuerza a la que está sometida . Esto puede verse en la siguiente figura, que es el diagrama de deformación del apoyo del pasador cuando es sometido a esa fuerza, y es simulado en computador.

111

Figura 121. Diagrama de deformación del apoyo del pasador.

Del cual se puede observar que la máxima deformación, es de 6.795 10 , el cual es un valor despreciable para el análisis, El esfuerzo de aplastamiento dió como resultado 182448.89 / y haciendo un paralelo con la fluencia en tensión para el poliestireno que es de 55 10 / , se puede concluir que la pared está sometida a esfuerzos de aplastamiento despreciables. Esto se puede percibir en la siguiente figura, que muestra el diagrama de deformación de la pieza cuando está sometida a esa carga.

112

Figura 122. Diagrama de deformación de la pared de pasador.

Donde la mayor deflexión en la pieza es de 6.795 10 un valor que puede despreciarse en el análisis. •

, lo cual es

Los sujetadores son los que transmiten las reacciones hacia la abrazadera metacarpial, lo hacen a través de cuatro pasadores cada uno de tres milímetros de diámetro , dadas las suposiciones que se dieron anteriormente cada uno de los pasadores recibe la misma carga lo cual 1.1603 y con esta se pueden da como resultado una fuerza de definir los esfuerzos a los cuales está sometida la pieza. El esfuerzo cortante que soporta el pasador, el esfuerzo normal que genera el apoyo de este pasador y el esfuerzo de aplastamiento que ocurre en las paredes del sujetador. El esfuerzo cortante dio como resultado 656595.48 / y comparándolo con la fluencia en cortante para el acero inoxidable que es de 150 10 / , se puede determinar que el tornillo puede resistir esa fuerza sin deformarse apreciablemente. Lo cual puede verificarse en la figura 123 que es un simulación de lo que le sucede a la pieza, en este caso el tornillo cuando es sometido a esta fuerza.

113

Figura 123. Diagrama de deformaciones del tornillo.

Donde la mayor deflexión en la pieza es de 3.420 10 un valor que puede despreciarse en el análisis.

, lo cual es

El esfuerzo normal dio como resultado 128922,22 / y confrontándolo con la fluencia en tensión para el poliestireno que es de 55 10 / , se puede decir que el apoyo del pasador no es afectado por ninguna deformación apreciable, a causa de la fuerza a la que está sometida . Esto puede verse en la siguiente figura, que es el diagrama de deformación del apoyo del pasador, simulado en computador.

Figura 124. Diagrama de deformación de la pieza

114

Donde la mayor deflexión en la pieza es de 1.355 10 un valor que puede despreciarse en el análisis.

, lo cual es

El esfuerzo de aplastamiento dió como resultado 82290,78 / y haciendo un paralelo con la fluencia en tensión para el poliestireno que es de 55 10 / , se puede deducir que la pared no experimenta ningún tipo de aplastamiento apreciable. Esto se puede percibir en la siguiente figura, que muestra el diagrama de deformación de la pieza.

Figura 125. Diagrama de deformación de la figura.

Donde la mayor deflexión en la pieza es de 1.355 10 un valor que puede despreciarse en el análisis. •

, lo cual es

Al momento de analizar la abrazadera metacarpial se necesita conocer el valor de la fuerza que está soportando el pasador y a partir de esta, obtener los valores de las fuerzas a las que están sometidas las caras internas de la misma abrazadera , esto es necesario ya que en ese punto

115

es donde más puede sufrir daño la pieza, lo cual queda demostrado en la sumatoria de momentos y fuerzas, que dan como resultado unas reacciones 23.18 hacia abajo en la cara interna inferior y 18.53 hacia arriba en la cara interna superior de la abrazadera, estos datos son mucho mayores en magnitud que las fuerzas del peso propio de la mano y del marco, como consecuencia producirán esfuerzos mucho mayores en cuyo caso el material deberá soportarlo sin deformarse de manera crítica. Los esfuerzos de las reacciones y generan los siguientes esfuerzos, uno cortante y otro normal cuyos valores son 551904.76 / , 441190.47 / y 22076.19 / , 17647.61 / , respectivamente, para los valores de cortante se hace una comparación con la fluencia en cortante para el poliestireno que tiene un valor de 27.5 10 / y de esta manera se concluye que las paredes resisten este tipo de esfuerzo. Dado que la fluencia para el y el esfuerzo normal es mucho menor poliestireno es 55 10 / que éste, se puede deducir que la abrazadera soporta sin deformación apreciable alguna este esfuerzo. Esto se puede ver en las figuras 126 y 127 la primera para la deformación debida a la fuerza y la siguiente debida a la carga .

Figura 126. Diagrama de deformación debida a la fuerza

116

Figura 127. Diagrama de deformación debida a la fuerza

Donde la mayor deflexión en cada una de las piezas es de 0.684 ,y 0.5003 , respectivamente, los cuales son valores que pueden despreciar en el análisis. Para el pasador se tienen los esfuerzos cortante para el tornillo, normal para el apoyo del pasador y de aplastamiento para las paredes de la abrazadera. Donde el esfuerzo cortante dio como resultado 2626551,71 / y haciendo una comparación con la fluencia en cortante para el acero inoxidable que es de 150 10 / , se puede inferir que el pasador soporta esa fuerza sin deformarse. Esto se puede verificar en la siguiente figura que muestra la deformación del tornillo cuando es sometido a esta fuerza.

117

Figura 128. Diagrama de deformación del tornillo.

Donde la mayor deflexión en la pieza es de 1.362 10 un valor que puede despreciar en el análisis.

, el cual es

El esfuerzo normal dio como resultado 221023.80 / y comparándolo con la fluencia en tensión para el poliestireno que es de 55 10 / , se puede deducir que el apoyo del pasador no se deforma apreciablemente a causa de la fuerza a la que está sometido. Esto se puede observar en la figura 129, que muestra la deformación en el apoyo del pasador en la abrazadera.

118

Figura 129. abrazadera.

Diagrama

de deformación del

apoyo

del

pasador en la

Donde la mayor deflexión en la pieza es de 1.506 10 un valor que puede despreciar en el análisis.

, el cual es

141079.02 / El esfuerzo de aplastamiento dio como resultado y contrastándolo con la fluencia en tensión para el poliestireno que es de 55 10 / , se puede concluir que la pared no desarrolla ningún tipo de aplastamiento visible. Esto se puede percibir en la figura 130 donde se muestra el diagrama de deformación de la pared abrazadera.

Figura 130. Diagrama de deformación de la abrazadera.

119

Donde la mayor deflexión para la pieza es de 1.386 10 respectivamente, el cual es un valor que se puede despreciar en el análisis. •

Al hacer el modelo simplificado para el estudio de la platina de unión se puede hallar cual es la reacción sobre la platina de la muñeca y esta fuerza da como resultado 12.35 , de donde se obtienen los siguientes esfuerzos el cortante y el normal cuyos valores respectivamente son 205833.33 / y 16250 / y comparándolos con la fluencia en cortante y en tensión para el poliestireno se puede inferir que la platina va a soportar esas cargas sin deformarse. Lo cual puede observarse en la figura 131 de deformación de la platina.

•

El análisis de la platina de unión se hace como una barra en voladizo y se halla su ecuación de la curva elástica esto para saber cuánto se va a deformar la platina una vez aplicada la carga, en este caso la barra se flecta 0.7mm teóricamente y comparándola con la deflexión que produjo la simulación en computador de esta pieza , observada a continuación.

Figura 131. Deformación de la platina.

Donde la máxima deformación es de 0.2mm, se puede decir que la deformación aunque difiere con la teórica, no es por mucho y se debe

120

tener en cuenta que ya que esta es menor, se puede decir que es una deflexión que puede ser despreciada en el análisis. El peso que sostiene la platina se divide en tres: el peso del marco metacarpial, el peso del soporte metacarpial y su propio peso lo que da como resultado una fuerza de 9.8518 N, por la cual dan los siguientes esfuerzos cortante y normal. El esfuerzo cortante dio como resultado 234566.66 / y comparándolo con la fluencia en cortante para el acero inoxidable que es 150 10 / , se puede determinar que la placa puede resistir esa fuerza sin deformarse. 16985.86 / y El esfuerzo normal dio como resultado confrontándolo con la fluencia en tensión que para el acero inoxidable es de 260 10 / , se puede decir que la placa no es afectada por ninguna deformación apreciable a causa de la fuerza a la que está sometida. •

Cuando se analizó la platina de unión fue necesario hallar el momento en la platina de la muñeca, que se produce cuando se le aplica una fuerza a la platina de unión y trasladando ese torque a la posición de la base del motor, el valor obtenido es 1.4929 Nm, para este momento se halla la fuerza que debe existir en los tornillos de sujeción y esto dio como resultado una carga de 64.95 , la cual generó unos esfuerzos cortante, normal y de aplastamiento, cuyos valores son 367541.81 / , 7161111.11 / y 4570921.98 / , respectivamente, y comparados en magnitud con la fluencia en cortante para el acero inoxidable y la fluencia en tensión para el poliestireno, se obtiene que los esfuerzos generados en la pieza no deforman la pieza en ningún sentido. Esto se puede observar en la figura 132 que muestra el diagrama de deformación de la pieza.

121

Figura 132. Diagrama de deformación de la base del motor.

Donde la máxima deformación es de 4.496 10 despreciable para el análisis. •

el cual es un valor

Para saber si la base del antebrazo resistiría todo el peso del antebrazo y las reacciones del peso de la misma estructura y de la mano se hizo el respectivo análisis y se encontró que la carga que tiene que soportar la pieza es 30.12N, para la cual se hallaron los diferentes esfuerzos de cortante y normal, los cuales generaron los siguientes valores 95619.04 / y 5062.18 / , respectivamente, estos valores al ser comparados con la fluencia en cortante y en tensión para el poliestireno, muestran que no existe ninguna deformación significativa para el estudio. Esto se puede demostrar en la figura 133, donde se muestra el diagrama de deformación de la base del antebrazo cuando es sometida a esta carga.

122

Figura 133. Diagrama de deformación de la base del antebrazo.

•

De acuerdo con lo obtenido de la ecuación (57), la potencia final del motor debe ser 3.862 , esta potencia ya contempla la eficiencia propia del motor y la eficiencia mecánica debido al tren de engranajes del mismo, lo cual permite prevenir cualquier percance debido a estos dos aspectos y se asegura que el motor no se va a quedar rezagado sí ocurren cualquiera de estas dos cosas. Para hallar la potencia primera del motor fue necesario tratar la férula como una articulación simple y primero hallar su torque, lo cual se hizo utilizando el peso de la mano, junto con el peso de la estructura que contempla desde la muñeca hasta la mano y la distancia de la misma, a partir, de este valor y multiplicado por la velocidad angular de la férula, se produce el valor de potencia.

2.7. DISEÑO ELECTRÓNICO

2.7.1. Diseño de circuito de control. El sistema electrónico, (Fig.134), a desarrollar tiene como principal objetivo supervisar y controlar la posición angular del eje del motor ubicado en la férula.

123

Figura 134. Diseño electrónico.

De estos requerimientos se pueden extraer las variables y las características básicas que debe poseer el control: •

Posición deseada: Es la posición angular que se desea para el eje del motor en un instante específico. Es una variable de entrada, dada en unidades de grados (°) e ingresada por el usuario.

•

Posición actual: Es la posición angular en la que actualmente se encuentra ubicado el eje del motor. Es una variable de entrada, dada en unidades de grados (°)y debe ser capturada por el propio motor o un sistema integrado a este

•

Señal de control: Señal eléctrica que manipulará el movimiento angular del eje del motor con el propósito que este alcance la posición seleccionada por el usuario.

124

•

En todo momento debe haber realimentación de la posición actual del eje el motor para así poder ser comparada con la posición deseada del mismo, eso implica el desarrollo de un sistema de control en lazo cerrado

Partiendo de esos requisitos de diseño, es viable la implementación de un servomotor. Un servomotor es un tipo de motor CC cuya característica principal es su capacidad de ubicarse en cualquier posición de un rango angular delimitado, mientras reciba una señal codificada de control que le indica la posición a la cual debe desplazarse. Los servomotores cuentan con una caja reductora que transmite y aumenta la magnitud de la fuerza generada por el motor, siendo su alta relación fuerza/tamaño una de sus principales ventajas. Así mismo cuenta con un circuito retroalimentado de control, el cual esta sensando constantemente la posición del eje a través de un potenciómetro anclado al mismo. El control de este tipo de dispositivos debe realizarse a través del envío de un tren de pulsos, en el que en cada uno de estos debe llevar un ciclo duty de duración equivalente a la posición angular que se desea alcanzar. Aunque la frecuencia de operación y los límites de duración del ciclo duty los da cada uno de los fabricantes, se suele utilizar un frecuencia de 50 Hz y unos límites de 1ms a 2ms como datos generales. De esa forma si se desea controlar la posición de un servomotor y se desconoce su ficha técnica debe ser generado un tren de pulsos con periodo igual a: (64)

1 1 = = 20ms F 50 Mhz

Donde F corresponde a la frecuencia de trabajo La duración del pulso (Fig. 135)(sumando la parte y la alta baja) debe ser de 20 ms, si se establecieron los límites entre 1ms (0 grados) y 2ms (180), cualquier posición dentro de este intervalo corresponderá a un valor de tiempo establecido para el duty del pulso, es decir si se quiere obtener un ángulo de 90 grados, se deberá mantener el pulso en nivel alto por 1,500 ms y en nivel bajo por 18,5 ms (1,5ms + 18,5ms = 20 ms = periodo de la señal). Para el caso de 45 grados la duración de nivel del duty serán de 1,250 ms y del nivel bajo de 18,250 ms.

125

Figura 135. Tren de pulsos para control del servo.

http://cfievalladolid2.net/tecno/cyr_01/robotica/sistema/motores_servo.htm#compo sicion

La selección del servomotor permitirá reducir la complejidad del controlador, ya que gran parte de los requerimientos del sistema son suplidos por el controlador integrado al motor. Por al motivo se prosiguió con la selección del servomotor específico a implementar a partir de los requerimientos de torque calculados para el dispositivo (13.6Kg-cm.) Otro factor tomado en cuenta para la selección del motor fue el tamaño del mismo, en ningún momento se puede dejar de tomar en cuenta la comodidad del paciente, y un motor de gran tamaño implicaría una reacción mental adversa en este para su uso. El motor seleccionado fue un servomotor Hobbico CS 150, (ver Anexo 4), que provee un torque de 13.89 Kg-cm Con la implementación de un servomotor el sistema de control a desarrollar se simplifico drásticamente, pasando a ser un sistema de lazo abierto en el que solo se manipularía una variable, que sería el tiempo de duración del ciclo útil (duty) en el tren de pulsos enviado como señal de control. El inconveniente para la instalación de ese tipo de motor, radica en que al poseer su propio sistema proporcional de control, la velocidad angular no se mantendría

126

estable, y por tanto no se podría esperar un movimiento armónico. La solución a este problema debe provenir del controlador externo. El tren de pulsos debe aumenta o disminuir la longitud de su ciclo útil (duty) de forma progresiva con un valor constante, de esta forma el controlador interno del motor siempre verá la misma distancia por recorrer y nunca variará la velocidad del movimiento. En resumen el sistema manipulará y/o supervisará (Tabla 6):

las siguientes variables

Tabla 6. Variables sistema de control Variable

Unidad

Valor duty deseado

ms

Valor duty actual

ms

Descripción Esta variable será el resultado del proceso de conversión grados (°) tiempo (ms) realizado por el microcontrolador a partir de las posiciones angulares seccionadas por el usuario Es una sub variable de la señal eléctrica dada al motor (tren de pulsos) por el microcontrolador, su valor máximo o mínimo dependerá de los límites de desplazamiento seleccionados por el usuario. Se considera sub variable ya que dicho tren de pulsos esta constituido además por el valor cero “tiempo muerto”

El microcontrolador utilizado es un PIC 16f628, seleccionado por su pequeño tamaño (18 pines, de los cuales se utilizarán 14) así como por la presencia de su oscilador interno, simplificando en gran medida el montaje electrónico ante la ausencia de cristal externo y condensadores. Adicional al microcontrolador se cuenta con una pantalla LCD 2*16 que hará las funciones de interfaz gráfica con el usuario. Aunque inicialmente se implementaría un sistema PWM, finalmente se logró obtener el mismo resultado con una aplicación más sencilla, en que se activa directamente la salida por el tiempo requerido y se apaga por el tiempo restante que complete el periodo (20 ms). De esta forma si se quiere mantener el motor en 127

su posición neutral (90 grados), es activada la salida conectada al motor por 1.5 ms, apagada por 18.5 ms, y encendida de nuevo de forma cíclica con estos mismos valores hasta que solicite cambiar la posición deseada para el motor. En vista de la gran extensión del código fuente para el microcontrolador (Anexo 2) se presentan los diagramas de flujo que explican el algoritmo del programa (Figuras 136, 137 y 138)

128

Figura 136. Diagrama general INICIO

Ir a posición central

Activación pulsador ok

Max_+ = True Min_+ = False Max_- = False Min_- = False

Activación pulsador arriba

Activación pulsador abajo

Angulo_1