Diseño de órtesis activa para autorehabilitación de codo

Abstract

Later, using CAD-CAE programs that does valid numerical simulations to define an elbow rehabilitator with a degree of freedom, able to support maximum loads given by the patient without permanently deforming. The obtained results, shows that it can be materialized by a design that can do a cinematic analysis and material resistance using CAD-CAE programs that serves to define totally the geometry and materials of the device in base of a mechanism, in which it allows movements of flex-extension of 0° a 90° that corresponds to the elbow rehabilitation phase. Keywords: Device; elbow; dynamic rehabilitation; modeling; CAD-CAE. 1.Introducción La articulación del codo es una de las más importantes en el cuerpo humano para mover y deslizar cuerpos en posiciones determinadas por ser el puente de unión entre los movimientos realizados por el antebrazo y el brazo (Cardozo, 2013). Los resultados muestran que se puede materializar un diseño en el que se realiza un análisis cinemático y de resistencia de materiales utilizando programas CAD-CAE que sirven para definir la geometría y materiales del dispositivo rehabilitador en base a un mecanismo, el cual permite realizar movimientos de flexo-extensión de 0° a 90° correspondiente a las fases de rehabilitación del codo. 2.Métodos Para desarrollar el diseño del rehabilitador de codo, es importante definir los requerimientos que están asociados a varios aspectos de la información aportada por expertos en el área de rehabilitación, donde se despliegan los datos necesarios y suficientes para la conceptualización y proceso de diseño, que se lleva a cabo en varias etapas considerando el uso de herramientas computacionales que introduce en este proceso no sólo la estética, si no, el cálculo en ingeniería para validar los materiales y formas utilizadas para el dispositivo (Segnini, Chagna, & Vergara, 2018).

Headnote

Resumen: Para el año 2017, Ecuador registró 11.678 personas con algún tipo de trauma en el codo y antebrazo. Si bien existen dispositivos rehabilitadores de codos disponibles en el mercado nacional, distribuidos por casas comerciales, todas son productos de importación con altos costos de adquisición y mantenimiento. En esta investigación, se presenta un diseño conceptual de un rehabilitador de codo dinámico con entrada motriz ejecutada por el usuario para lograr una progresiva rehabilitación sin supervisión médica. En este, se incluyen primero la captura de imágenes para la obtención de dimensiones, acompañadas de topologías geométricas únicas que posee el individuo, además de las restricciones clásicas para el diseño de dispositivos biomecánicos como lo son: mecanismos, cargas, forma, costo, y material. Posteriormente, en el diseño se realiza un análisis cinemático y de resistencia de materiales utilizando programas CAD-CAE que sirven para simular y definir la geometría y materiales del dispositivo en base a un mecanismo. Así, se obtiene un dispositivo único que permite realizar movimientos de flexo-extensión de 0° a 90° que cubre todas las fases de rehabilitación del codo.

Palabras-clave: Dispositivo; codo; rehabilitación dinámica; modelado; CAD-CAE.

Abstract: For 2017, Ecuador registered 11,678 people with some type of trauma in their elbows and forearms. Although there are elbow rehabilitation devices available in the national market distributed by commercial houses, all are import products with high purchases and maintenance costs. This investigation presents a conceptual design of a dynamic elbow rehabilitator (motor input given by the user), with restrictions associated to the use of simple geometry, available material in the zone and of low cost, that contributes with the progressive rehabilitation without medical supervision. For this, it proposed a process of design where it presents alternative mechanisms and forms to select the most adequate according to the plant requirements. Later, using CAD-CAE programs that does valid numerical simulations to define an elbow rehabilitator with a degree of freedom, able to support maximum loads given by the patient without permanently deforming. The obtained results, shows that it can be materialized by a design that can do a cinematic analysis and material resistance using CAD-CAE programs that serves to define totally the geometry and materials of the device in base of a mechanism, in which it allows movements of flex-extension of 0° a 90° that corresponds to the elbow rehabilitation phase.

Keywords: Device; elbow; dynamic rehabilitation; modeling; CAD-CAE.

1.Introducción

La articulación del codo es una de las más importantes en el cuerpo humano para mover y deslizar cuerpos en posiciones determinadas por ser el puente de unión entre los movimientos realizados por el antebrazo y el brazo (Cardozo, 2013). La autorehabilitación es cada vez más importante a medida que el ser humano evoluciona ante la recuperación propia, basado en sus posibilidades de alcanzar nuevamente los movimientos perdidos provisionalmente.

En el mercado internacional y nacional, existen rehabilitadores de codo, estos dispositivos pueden utilizar resortes lineales, de torsión, neumática, electrónica, hidráulica y mecatrónica para controlar los movimientos de la articulación del codo, tal como se muestra en algunas referencias [(Pérez, 2012); (Mio, 2014); (Barrios, y otros, 2017); (Ospina, 2017)], donde, además muestra la necesidad de realizar investigaciones direccionadas a dispositivos que sean portátiles que permita la rehabilitación del movimiento de extremidades superiores a un bajo costo.

Bajo la luz de lo anterior, se han desarrollado investigaciones direccionadas a simular el movimiento natural del codo mediante diferentes mecanismos, tal como se detalla en algunos trabajos referenciados [(Mavroidis, et al., 2005); (Gallucci, Boretto, Alfie, A.G. Donndorff, & Carli, 2008); (Martínez, 2011); (Ayala-Lozano, y otros, 2015); (Lima, 2016); (Escuder, 2017); (Wang, Song, Wang, & Liu, 2008)]. En los últimos cinco años universidades ecuatorianas han participado en el desarrollo de dispositivos rehabilitadores de codo (Moya & Vásquez, 2014); (Macao & Nacipucha, 206), todas, direccionadas a crear dispositivos exoesqueléticos electrónicos para la rehabilitación de codo.

En este mismo contexto, desde hace varias décadas, se han desarrollado patentes que muestran la evolución de los rehabilitadores con distintas configuraciones geométricas que van desde sistemas netamente mecánicos hasta sistemas mecatrónicos avanzados; ver, por ejemplo los autores citados [(Mauldin & Jones, 1984), (Hepburn, 1987); (Brown, 1987); (Hensley & Kielman, 1989); (Mitchell, Muir, & DeLorenzo, 1991); (Kipnis & Belman, 1995) (Clemens, Rembold, & Ashford, 1999); (Beny & Oster, 1999); (Simmons, 2008); (Jianbin, Xiaofeng, Zhong, Zhongyi, & C. Weihai, 2017)]. Por esto, se observa que los movimientos de rehabilitación pueden ser realizados de manera autónoma por el paciente, Varias de estas patentes presentan un sistema con entrada motriz dada por el usuario, que posee un cierto grado de movilidad. Sin embargo, algunos pacientes pueden requerir diferentes extensiones y flexiones debido al grado de inmovilización que sufre el codo y por lo tanto es importante desarrollar mecanismos que sean capaces de cubrir esta necesidad.

En esta investigación, se presenta un diseño conceptual de un rehabilitador de codo dinámico, con restricciones asociadas al uso de geometrías sencillas, material disponible en la zona y de bajo costo, que contribuye con la progresiva rehabilitación sin supervisión médica. Para esto, se utilizará la propuesta de Segnini, Chagna y Vergara (2018), donde plantean un proceso de diseño, en donde, presentan las alternativas de mecanismos, formas y materiales para seleccionar las más adecuadas según los requerimientos planteados. Posteriormente, utilizando programas CAD-CAE se realizan simulaciones numéricas validadas para definir la geometría del rehabilitador de codo con un grado de libertad, capaz de soportar cargas máximas dadas por el paciente sin deformarse permanentemente.

Los resultados muestran que se puede materializar un diseño en el que se realiza un análisis cinemático y de resistencia de materiales utilizando programas CAD-CAE que sirven para definir la geometría y materiales del dispositivo rehabilitador en base a un mecanismo, el cual permite realizar movimientos de flexo-extensión de 0° a 90° correspondiente a las fases de rehabilitación del codo.

2.Métodos

Para desarrollar el diseño del rehabilitador de codo, es importante definir los requerimientos que están asociados a varios aspectos de la información aportada por expertos en el área de rehabilitación, donde se despliegan los datos necesarios y suficientes para la conceptualización y proceso de diseño, que se lleva a cabo en varias etapas considerando el uso de herramientas computacionales que introduce en este proceso no sólo la estética, si no, el cálculo en ingeniería para validar los materiales y formas utilizadas para el dispositivo (Segnini, Chagna, & Vergara, 2018). De esta forma, se desarrolla un proceso de diseño que es una modificación a la propuesta desarrollada por el Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI), titulada Proceso de Diseño: fases para el desarrollo de productos (2009), incluyendo el comportamiento estructural del dispositivo, considerando, además el entorno del dispositivo rehabilitador de codo, que debe incluir restricciones asociadas a los costos. Adicionalmente, se utiliza una herramienta de medición biométrica propuesta por Mei (Mei, 2015), en donde se capturan imágenes fotográficas de la extremidad, estas imágenes son procesadas y vectorizadas para poder obtener silueta de dicha extremidad (ver figura 1a) y así con las siluetas en varios perfiles poder realizar el modelado 3D (ver figura 1b). Y de esta manera obtener un dispositivo completamente adaptable a las medidas del brazo lesionado.

2.1.Requerimientos de Diseño

Para la identificación de las necesidades es básico crear un canal de información de alta calidad directamente con el usuario final del producto. La recopilación de datos involucra el contacto con los usuarios y con su experiencia con el ambiente de uso del producto, siendo el método primario de recopilación de datos para lograr este objetivo las entrevistas.

Los usuarios están representados por las personas que requieren rehabilitación de los miembros superiores. Se trabajó con los pacientes de la Unidad de Rehabilitación y Terapia Física del Hospital San Vicente de Paúl, ubicado en la ciudad de Ibarra, Ecuador. Se trabajó con diecisiete (17) pacientes que estaban realizando la rehabilitación en el periodo comprendido entre abril y junio del año en curso.

Esta información es sintetizada, comparada y analizada con la bibliografía pertinente, para finalmente con el asesoramiento de un especialista fisioterapeuta, generar alternativas de diseño acorde con los requerimientos. Y así establecer las variables fundamentales que se deben considerar en el diseño de un rehabilitador de codo.

Para establecer el grado de movilidad del paciente se emplea como referencia lo reportado por Gallucci et al (2008). Después se acude a distintas visitas con especialistas, con el fin de consolidar información y establecer perspectivas generales sobre los aspectos asociados a la rehabilitación del paciente, visto desde la visión del terapeuta.

Al igual que la investigación realizada por Chagna (2017), el objetivo de las entrevistas fue conocer el criterio de expertos en el tema de rehabilitación y tomar nota sobre los beneficios que se adquieren al desarrollar un dispositivo de rehabilitación de codo dinámico de bajo costo, considerando movimientos de flexión y extensión, también se especifican los rangos de movilidad, posturas y dar carta abierta a recomendaciones mediante la experiencia de los participantes, obteniendo así un compendio de datos más completo y significativo.

Las preguntas elaboradas a los especialistas fueron abiertas y espontaneas, ellos tuvieron la intención manifiesta de establecer cada detalle, tales como: la importancia del dispositivo, la síntesis de gravedad del paciente y los grados de rehabilitación de acuerdo a la recuperación del codo.

2.2.Análisis del diseño

Una parte importante a estudiar una vez que se ha definido y seleccionado de varias alternativas del mecanismo, la forma y el material, se añaden las restricciones y el estado de carga, para realizar la simulación numérica considerando la posición crítica del mecanismo. Dicha simulación para el análisis estructural está hecha con el método de elementos finitos y se sigue un algoritmo simple dentro del proceso del diseño modificado de Vergara et al, [25] como se muestra en la figura 2 y en el cual se contemplan los pasos desde la concepción del problema embebido en el entorno hasta la construcción del prototipo. Así, el primer paso consiste en reconocer el problema desde su propio entorno, pasando por una etapa de solución que considera el proceso de creatividad, investigación preliminar, soluciones similares existentes, junto con las herramientas tecnológicas disponibles para presentar bocetos y seleccionar alguno hasta pasar a la simulación del rehabilitador considerando normativa para dispositivos biomecánicos con su respectiva antropometría y ergonomía (Segnini, Chagna, & Vergara, 2018).

Para la obtención de la geometría final, se utiliza el programa Autodesk Inventor y su plataforma de simulación que involucra el preproceso donde se definen: la geometría y las condiciones de carga, sujeción y material, el proceso para determinar esfuerzos, desplazamiento, deformaciones y factor de seguridad y postproceso para visualizar los resultados que sirven para verificar que el sistema es capaz de soportar las cargas máximas sin deformarse permanentemente y así pasar al diseño de detalle (Segnini, Chagna, & Vergara, 2018).

3.Resultados

Se evalúa las alternativas jerárquicamente, donde se consideran los factores asociados a: mecanismos y formas. Se han utilizado programas CAD y CAE para desarrollar el rehabilitador de codo. Asi mismo, el paquete computacional Expert Choice Companon™ es la herramienta encargada de realizar la selección de alternativa.

Adicionalmente, se presenta el análisis estructural que establece las condiciones de fuerza para la posición crítica del modelo, y una vez obtenida son simuladas para conseguir la geometría adecuada para finalmente validar numéricamente con la convergencia hacia la solución y disponer de los datos necesarios para la fabricación del dispositivo rehabilitador.

3.1. Características del rehabilitador

En la figura 3 se presentan los resultados obtenidos en las entrevistas realizadas a los pacientes con relación a las características de la ortesis.

Para el 88% de los pacientes la comodidad es muy importante, debido a que estas terapias son ejercicios repetitivos, un equipo cómodo les proporciona una sensación de confort y bienestar. De igual manera, para el 82% de los pacientes el costo es muy importante. Es recurrente el comentario sobre los costoso que resultan la adquisición de estos equipos rehabilitadores y del poco tiempo de uso que tienen. La funcionalidad (76%) es un tema sensible para los usuarios, puesto que ellos asocian la función con el recuperamiento acelerado de la extremidad. Para los pacientes a los cuales la estética es muy importante (71%), la órtesis debe incorporar formas modernas y atractivas, que visualmente no reflejen sensación de dolor y enfermedad.

A pesar que solo al 53% de los pacientes consideran imprescindible el factor peso, el otro 47% lo considera "importante", en otras palabras, para ningún paciente es "indiferente" una órtesis pesada. Otro dato a tomar en cuenta, es que ningún paciente considero el costo como "indiferente", esto tiene relación directa con el centro de rehabilitación estudiado, ya que es una institución pública que brinda servicios gratuitos, y las personas que recurren a este centro son personas con poder adquisitivo moderado y bajo.

3.2.Análisis jerárquico para selección de Alternativas

El esquema de proceso de diseño propuesto establece alternativas para: mecanismo a desarrollar y forma externa del rehabilitador de codo. De esta manera, se presentan diferentes alternativas dirigidas a la órtesis de rehabilitación, las cuales son sometidas a evaluación y selección por la herramienta Expert Choice ComparionTM, que se detallan a continuación.

El proceso parte con el planteamiento de alternativas y configuración de criterios para la selección de mecanismos que cumplen con los movimientos de flexión y extensión del codo. De los cinco mecanismos planteados (ver figura 4) se escoge uno para la estructuración interna del dispositivo, para lo cual se considera como objetivo el tipo de mecanismo y sistema de actuación, los criterios que sirven para seleccionar la alternativa son: fácil apertura del sistema, estabilidad, costos del mecanismo, número de elementos y complejidad del sistema mecánico.

El mecanismo i está compuesto por dos elementos (Soporte de brazo y soporte del antebrazo) los cuales, se unen a través de una articulación tipo bisagra, el sistema dinámico de fuerza está compuesto por un elemento elástico sujetado a los soportes del brazo y antebrazo. El mecanismo 2 está compuesto por dos elementos (Soporte de brazo y soporte del antebrazo) los cuales, se unen a través de una articulación tipo bisagra, el sistema dinámico de fuerza está compuesto por un elemento neumático (pistón) sujetado a los soportes del brazo y antebrazo. Mientras que el mecanismo 3 está compuesto por dos elementos (Soporte de brazo y soporte del antebrazo) los cuales, se unen a través de una articulación tipo bisagra, el sistema dinámico de fuerza está compuesto por un resorte de torsión ubicado en la articulación. Por su parte, el mecanismo 4 está compuesto por dos elementos (Soporte de brazo y soporte del antebrazo) los cuales, se unen a través de una articulación tipo bisagra, el sistema dinámico de fuerza está compuesto por un resorte lineal, un cable mecánico y un sistema de poleas ubicado en la estructura central de los soportes. Por último, el mecanismo 5 está compuesto por dos elementos (Soporte de brazo y soporte del antebrazo) los cuales, se unen a través de una articulación tipo bisagra ubicada en la parte inferior de los soportes, el sistema dinámico de fuerza está compuesto por un elemento elástico sujetado a los soportes del brazo y antebrazo.

Los criterios se plantean según el grado de importancia, donde se busca la facilidad de apertura de la órtesis para poder describir el movimiento de flexión y extensión, considerando además que éstos estén disponibles al menor costo, que cuenten con una estabilidad considerable, que utilice la menor cantidad de elementos posible y con piezas sencillas de ensamblar.

Una vez que se evalúan las alternativas de acuerdo a los criterios y su ponderación se obtiene que el más apropiado es el mecanismo cinco (5) según se aprecia en la figura 5.

De igual manera, se observa que el mecanismo 1 presenta una puntuación buena, pero al ser un dispositivo con dos articulaciones, eleva el presupuesto en comparación al mecanismo 1, motivo por el cual se descarta. Así mismo, el mecanismo 3 (resorte de torsión) tiene una excelente estabilidad y apertura para el movimiento flexo-extensión, pero tiene un nivel de complejidad de armado mayor que la propuesta seleccionada.

3.3.Selección de la forma exterior

Se presentaron tres propuestas (ver figura 6) en cuanto a la forma exterior, las cuales fueron proyectadas bajo la condición de acoplarse a los diferentes mecanismos para que se puedan armonizar y obtener la órtesis de rehabilitación deseada. Estas, se desarrollaron siguiendo el método de medición personalizado planteada por Mei [27], tomando en cuenta el cuadro de determinantes y requerimientos. Se involucró un proceso creativo apoyado del concepto de formas orgánicas y minimalistas para mejorar la estética del producto.

Los criterios considerados por orden de importancia son: estética del producto, la ligereza, la dificultad de fabricación, y la resistencia mecánica. Cabe destacar, que las variables "ligereza del producto" y "resistencia mecánica" fueron calculados en el software Autodesk Inventor®.

Después de desarrollar, ejecutar y sintetizar los datos en el programa se obtiene que el modelo "a" es la propuesta con mejores resultados, como lo muestra la figura 7.

Como se observa en la figura 7, los tres modelos tienen comportamientos estéticos similares al igual que en dificultad de fabricación, las diferencias más significativas se presentan en ligereza del producto, en donde el modelo 1 se destacó por encima de las demás propuestas. A pesar de presentar diferencias en la resistencia mecánica, todas las propuestas resisten las cargas de diseño.

3.4.Generación de la geometría. Propuesta con Autodesk Inventor®

Una vez seleccionado mediante el análisis jerárquico el mecanismo y la forma (ver figura 8), se fusionan en un solo producto.

El Rehabilitador de codo presentado, tiene un grado de libertad. El rehabilitador, se compone de 6 elementos que corresponden: órtesis inferior (antebrazo), órtesis superior (brazo), brazo articular, articulación (tornillo regulador), elástica y oreja de sujeción, como se muestran en la figura 9.

El ensamble global permite que el mecanismo tenga una variación de ángulos entre el brazo y el antebrazo que van de 0° a 90°. Por lo tanto, el movimiento de flexión y extensión en el codo se desarrolla de manera natural.

3.5.Análisis estructural

El análisis de esfuerzos fue hecho utilizando el método de elementos finitos (MEF), a través del software ANSYS®. De acuerdo con el diseño mostrado en la figura 9, las piezas involucradas en éstos, con sus respectivos materiales, son las siguientes: las órtesis superior e inferior en ABS y el tornillo regulador y componentes de acero, la elástica será el elemento productor de fuerza, dicha fuerza será de 50N (Elástica comercial de 5Kg). Las propiedades mecánicas de los materiales se muestran en la tabla 1.

El análisis de esfuerzo utilizado fue estático, debido a que la variación de carga con respecto al tiempo es poca. La fuerza ejercida (ver figura 10) será de 50N correspondiente al valor máximo de las elásticas utilizada (conocidas comercialmente como banda elástica de 5 Kg). En este tipo de análisis, los materiales se consideran lineales e isotropicos.

Al igual que lo mostrado en [28], para la simulación de análisis estructural estático, se utiliza la plataforma de ANSYS® con mallas refinadas de topologías tetraédricas (ver figura 11) que convergen hacia la solución con relación de convergencia menor al 3%.

Al obtener resultados donde la geometría y material del sistema son capaces de soportar las cargas máximas sin deformarse permanentemente, se precisa la geometría final para pasar al diseño de detalle.

En la figura 12a y 12b se muestran el esfuerzo equivalente de Von Misses en el último refinamiento de malla y el factor de seguridad estático, respectivamente. En estas, puede observarse que el esfuerzo producido por la carga de impulso (50N) es menor que la resistencia del material, ya que, éste no sobrepasa los 10.1 MPa; mientras que la resistencia a la fluencia del ABS es de 20 MPa. Por lo anterior, se puede verificar que el factor de seguridad, es superior a la unidad y por lo tanto el rehabilitador no se deforma permanentemente y está lejos del límite de rotura del material.

Por lo anterior, es fácil visualizar que, con estas magnitudes de trabajo, el rehabilitador no fallará y tendrá deformaciones pequeñas (ver figura 13).

3.6.Verificación numérica del dispositivo. Convergencia

Para la verificación de la simulación realizada se analiza la curva de convergencia de esfuerzos de Von-Mises hacia la solución.

En la figura 14, se muestra que se realizaron 9 refinamientos, de los cuales, a partir del cuarto paso, converge hacia el esfuerzo máximo de 10.10 MPa, lo que define que este es el valor esperado según las cargas introducidas para la rehabilitación del usuario, con una rata de convergencia inferior al 0,003%.

4. Discusión

Los resultados demuestran que es posible desarrollar un dispositivo de rehabilitación dinámica de codo que sea liviano, funcional, visualmente estético y de fácil ensamblaje, que además sea fabricado con materiales disponibles en Ecuador. Capaz de soportar aproximadamente el doble de las cargas a las cuales serán sometidas sin deformarse permanentemente.

Por otro lado, el diseño propuesto pretende cubrir una necesidad: dar más autonomía a personas en proceso de rehabilitación a un coste relativamente bajo. No obstante, es cierto que todavía existe un cierto margen de mejora en el producto, pues sería necesario ensayarlo para comprobar su correcto funcionamiento y realizar las mejoras pertinentes.

5. Conclusiones

Se ha desarrollado una propuesta de diseño que corresponde a un dispositivo de rehabilitación dinámico de codo, que cumple con movimientos de flexión y extensión del brazo, basado en un mecanismo sencillo con un grado de libertad y con materiales disponibles en el mercado nacional.

Los resultados de análisis estructural obtenidos para la distribución del esfuerzo y el factor de seguridad muestran que la geometría planteada, cumplen con los requisitos preestablecidos donde el rehabilitador no se deformara permanentemente y los desplazamientos son menores a 0.1 mm. Por lo tanto, el dispositivo de rehabilitación de codo no fallará desde el punto de vista de resistencia y deflexión del material.

Se realizó un estudio de convergencia y error, encontrándose que los valores convergen y representan un porcentaje de error menor al 1%, lo cual refleja la precisión del estudio realizado y a la vez hace válida la simulación para el análisis con carga estática.

Se ha introducido dentro del proceso de diseño el uso de CAD, CAE y CAM proponiendo una metodología de diseño combinada que considerando factores estéticos y funcionales pueden llevar a corto plazo a la innovación de productos en el mercado nacional, ya que antes de construir el prototipo puede realizarse simulaciones que sirvan para visualizar el comportamiento en servicio en el menor tiempo posible.

Reconocimientos

La presente investigación agradece al Grupo de Investigación en Diseño Sustentable (GIDISUS) de la Pontificia Universidad Católica del Ecuador Sede Ibarra por su aporte al desarrollo de la misma.

References

Referencias

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