Diseño inclusivo de una prótesis de rodilla para pacientes con grado de movilidad II

Abstract

Además, considera requisitos de movimiento y resistencia simulados con programas CAD-CAE-CAM junto con otros requisitos obtenidos a partir de una investigación exploratoria que añade al diseño del dispositivo comodidad, bajo costo, funcionabilidad, seguridad y estética propuestos por los pacientes del Hospital San Vicente de Paúl de la ciudad de Ibarra en Ecuador. [...]it is the patient who must adapt to what exists in the market, which offers import products with high acquisition and maintenance costs. [...]it considers simulated movement and resistance requirements with CAD-CAE-CAM programs along with other specific requirements based on an iterative process and exploratory research associated with the comfort, low cost, functionality, safety and aesthetics proposed by the patients of the hospital San Vicente de Paul from the city of Ibarra in Ecuador. The results obtained show that a prosthetic device can be developed as a minimum viable product oriented by the patients involved in the design, allowing flexo-extension movements from 0° to 90° of the limb with degree of mobility II.

Headnote

Resumen: La ausencia de la rodilla lleva al uso de prótesis para alcanzar una vida activa y autónoma. Idealmente en el proceso de diseño, el paciente podría definir sus propios requerimientos a fin de vincularse en etapas tempranas del desarrollo de ésta. Sin embargo, es el paciente el que debe adecuarse a lo que existe en el mercado, el cual ofrece productos de importación con altos costos de adquisición y mantenimiento. En esta investigación, se presenta un diseño conceptual de una prótesis de rodilla junto con un procedimiento de geometría constructiva de sólidos que permite copiar la anatomía de la pierna no afectada. Además, considera requisitos de movimiento y resistencia simulados con programas CAD-CAE-CAM junto con otros requisitos obtenidos a partir de una investigación exploratoria que añade al diseño del dispositivo comodidad, bajo costo, funcionabilidad, seguridad y estética propuestos por los pacientes del Hospital San Vicente de Paúl de la ciudad de Ibarra en Ecuador. Los resultados obtenidos muestran que se puede diseñar un dispositivo protésico como producto mínimo viable orientado por los pacientes involucrados en el proceso que permite realizar movimientos de flexo-extensión de 0° a 90° de la extremidad con grado de movilidad II.

Palabras-clave: prótesis; reemplazo total de rodilla; bajo costo.

Abstract: The absence of the knee leads to the use of prostheses to achieve an active and autonomous life. Ideally in the design process, the patient could define their own requirements in order to be linked in the early stages of its development. However, it is the patient who must adapt to what exists in the market, which offers import products with high acquisition and maintenance costs. In this investigation, a conceptual design of a knee prosthesis is presented together with a solid geometry constructive procedure that allows to copy the anatomy of an unaffected leg. In addition, it considers simulated movement and resistance requirements with CAD-CAE-CAM programs along with other specific requirements based on an iterative process and exploratory research associated with the comfort, low cost, functionality, safety and aesthetics proposed by the patients of the hospital San Vicente de Paul from the city of Ibarra in Ecuador. The results obtained show that a prosthetic device can be developed as a minimum viable product oriented by the patients involved in the design, allowing flexo-extension movements from 0° to 90° of the limb with degree of mobility II.

Keywords: prosthesis; total knee replacement; low cost.

1.Introducción

Después de una amputación, se desea estar seguro de poder reanudar lo antes posible el estilo de vida anterior. Razón por la cual es necesario un sistema protésico que proporcione al usuario de manera simultánea un nivel elevado de seguridad y máxima movilidad. En la actualidad, existen un sin número de prótesis externas de rodilla, estas rodillas protésicas pueden utilizar resortes lineales, neumática, electrónica, hidráulica y mecatrónica para controlar los movimientos de la articulación de la rodilla, tal como se muestra en (Álvarez, Moya, Vázquez, Campos, & Chagoyén, 2012), (Amador, 2013), donde, además muestra la necesidad de realizar investigaciones direccionadas a diseñar dispositivos que asemejen más a la función de la rodilla durante todo el ciclo de andar.

Bajo la luz de lo anterior, se han desarrollado investigaciones direccionadas a simular el movimiento natural de la rodilla mediante diferentes mecanismos, tal como se detalla en (Hekmatfard, Farahmand, & Ebrahimi, 2013), (Amador B., 2013),(Silva Júnior, Vinchi de Oliveira, & Bonvent, 2015). En los últimos cinco años universidades ecuatorianas han participado en el desarrollo de dispositivos protésicos de rodilla, (Aldaz Valverde & Farias Gámez, 2016), (Barros Morán & López Vélez, 2016), por citar algunos, todas, direccionadas a crear un dispositivo protésico que pueda ser más accesible económicamente a los pacientes ecuatorianos. En este mismo contexto, en los últimos diez años, se han desarrollado patentes que muestran la evolución de los sistemas protésicos con distintas configuraciones geométricas que van desde sistemas netamente mecánicos hasta sistemas mecatrónicos avanzados, ver, por ejemplo, (U.S. Patente n° 9161847B2, 2015). Estas prótesis funcionan a partir de un actuador capaz de ajustarse a las variaciones de ritmo como caminar, trotar y correr.

Por otro lado, es importante recalcar que los costos de la mayoría de esas prótesis es prohibitivo cuando se considera el 21,5% de la población ecuatoriana vive con un promedio per cápita familiar de US$ 84,49 mensuales, lo que equivale a US$ 2,82 diarios, como lo reporta el Instituto Nacional de Estadística y censos (INEC), debido a que una prótesis básica de rodilla que permita a un paciente caminar sobre un piso plano puede costar hasta US$5,000, sí la prótesis posee un sistema hidráulico especializado US$15,000 y sí la pierna protésica es asistida por computadora puede alcanzar los US$20,000 o más (McGimpsey & Bradford, 2008).

Por lo tanto, es evidente que este sector no puede adquirir estos productos necesarios e indispensables para mejorar su calidad de vida. Por lo anterior, es imprescindible que una porción de empresas de producción y ensamble se desarrollen específicamente en el área de la salud con equipos protésicos, cuyo objetivo se direccione a ofrecer la atención debida con productos más accesibles para el mercado ecuatoriano (Segnini, Chagna, & Vergara, 2018), más aun cuando se considera que algunos pacientes requieren sistemas más sencillos y económicos que emulen la articulación de la rodilla en las actividades cotidianas más importantes, considerando su propia autonomía para el uso de esta. Así, esta investigación presenta un diseño conceptual de una prótesis externa de rodilla, con restricciones asociadas al uso de geometrías sencillas, material disponible en la zona y de bajo costo que reúna requisitos adicionales retroalimentados por el paciente. Para esto, en el proceso de diseño, primero se presentan alternativas de mecanismos, formas y materiales para seleccionar las más adecuadas según los requerimientos planteados. Posteriormente, se realizan simulaciones numéricas validadas para definir una prótesis de rodilla con un mecanismo sencillo con un grado de libertad, capaz de soportar cargas máximas dadas por el paciente sin deformarse permanentemente, para finalmente en base a retroalimentación de investigación experimental apoyada en pacientes del Hospital San Vicente de Paúl de la ciudad de Ibarra en Ecuador desarrollar una prótesis de rodilla mínima viable para una población de bajos recursos económicos.

2.Requisitos de la prótesis

Para la identificación de las necesidades es básico crear un canal de información de alta calidad directamente con el usuario final del producto, es necesario una retroalimentación. 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 y encuestas a expertos. Los usuarios están representados por las personas que poseen amputación de miembro inferior por encima de la rodilla (amputación transfemoral), de uno o ambos miembros. Se trabajó con los pacientes de la Unidad de Rehabilitación y Terapia Física del Hospital San Vicente de Paúl (HSVP), ubicado en la ciudad de Ibarra, Ecuador. Se debe destacar que en esta investigación no se calculará el número de muestra para que los resultados estadísticamente fuesen significativos, debido a que no se cuenta con una base de datos de amputados transfemoralmente en la zona norte del país y adicionalmente los centros de rehabilitación y fundaciones no divulgan este tipo de información. Motivo por el cual, solo se trabajará con diez pacientes del HSVP.

Esta información es sintetizada, comparada y analizada con la bibliografía acerca del tema, para finalmente con el asesoramiento de un especialista fisioterapeuta, generar alternativas de diseño acorde con los requerimientos. Se establecieron seis variables fundamentales que se deben considerar en las prótesis para amputación transfemoral:

Comodidad: referida al bienestar físico que proporciona el uso de la prótesis; Seguridad: relacionada con la confianza en la prótesis, y por ende, con la ausencia de riesgos al emplear el dispositivo; Estética: asociada a la proyección visual de la prótesis, su apariencia física; Funcionalidad: relacionada directamente con la posibilidad de permitir la ejecución de movimientos similares a los de la articulación sana; Peso: relativo a lo pesado o liviano que sea el dispositivo y Costo: referido a la cantidad de dinero que es necesario invertir para la adquisición de la prótesis.

En la figura 1 se presentan los resultados obtenidos en las entrevistas realizadas a los 10 pacientes y que sirven para definir con detalle los requisitos.

Para el 100% de los pacientes la comodidad es muy importante, pero los pacientes asocian la comodidad al encaje de la prótesis, donde se aloja el muñón del miembro amputado, y el cual representa la conexión del paciente con la prótesis. De igual manera, el 70% de los pacientes la seguridad es muy importante y la asocian directamente a la articulación de rodilla. Es recurrente el comentario sobre la inseguridad que les provoca la flexión inesperada de la rodilla durante la fase apoyo de la marcha, lo que alerta sobre la importancia de la selección del mecanismo de control para la seguridad en dicha fase. Para los pacientes para los cuales la estética es muy importante (70%), la prótesis debe incorporar una funda cosmética de algún material sintético que se asemeje a la piel o algo que le de valor estético, que sea duradero e impermeable.

La investigación se centra en el diseño de la prótesis de rodilla y pierna protésica en esta primera etapa, ya que representan la parte más relevante desde el punto de vista biomecánico, además, se puede verificar que existen propuestas académicas interesantes que resuelven el problema del acoplamiento de ésta con el paciente, como es el caso de Olesnavage y Winter (2016), por nombrar uno de los más emblemáticos.

Adicionalmente se analizó el grado de movilidad del paciente, los aspectos que el paciente considera que se pueden mejorar en la prótesis y las características especiales que el paciente desea incluir en la prótesis. Para establecer el grado de movilidad del paciente se emplea como referencia el sistema de clasificación Medicare Functional Classification Level (MFCL), que describe el estado funcional del paciente, especialmente en lo que se refiere a su potencial para el éxito con una prótesis. Así, en vista que se requiere diseñar una propuesta de bajo costo que ayude al paciente a cubrir las necesidades básicas, los grados de movilidad 1 y 2 cubren estas expectativas.

La marcha humana es un proceso de locomoción en el cual el cuerpo humano en posición erguida, se mueve hacia delante, siendo su peso soportado alternativamente por ambas piernas, y el ciclo de marcha (CM) comprende la actividad que ocurre entre el contacto del talón de una extremidad y el siguiente contacto de talón de la misma extremidad con el suelo, constando de dos pasos, se descompone en dos fases, fase de apoyo y fase de balanceo y a su vez, cada fase se subdivide en otras, las cuales se contabilizan en porcentajes parciales. Así, Amador (2013) estipula que la fase de apoyo incluye cinco etapas: contacto inicial (0 - 2% del CM), etapa inicial de apoyo o de respuesta a la carga (о - 10% del CM), etapa media del apoyo (io - 30% del CM), etapa final del apoyo (30 - 50% del CM) y la etapa previa a la oscilación (50 - 60% del CM). A su vez, la fase de oscilación o balanceo consta de tres etapas: etapa inicial de la oscilación (60 - 73% del CM), etapa media de la oscilación (73 - 87% del CM) y etapa final de la oscilación (87-100% del CM).

De lo anterior es fácil dilucidar que en condiciones de normalidad la fase de apoyo constituye el 60% del CM y la fase de oscilación el 40% y por lo tanto estas consideraciones son retomadas para la simulación de la prótesis con cargas que se presenta en la sección 5.1.

3. Metodología para el diseño

Una metodología de diseño es una guía, cuya meta se centra en orientar al diseñador durante el proceso proyectual, esta no es una fórmula para constituir rutinas, si no son pautas para lograr objetivos (Segnini, Chagna, & Vergara, 2018). Una parte de la metodología utilizada es una modificación a la propuesta desarrollada por el Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI) que propone el proceso de diseño como fases en el desarrollo de productos. Así, el proceso no es secuencial, ya que algunas fases pueden darse de manera simultánea e integrada, por lo que se adapta este modelo a los primeros cinco pasos, de manera, que el proceso terminaría en la fabricación del prototipo.

A partir de un problema detectado se comienza a analizar y procesar la información disponible y se explora antecedentes pertinentes que contribuyan en la elaboración de una base de datos, para la estructuración, creación y registro del marco conceptual y teórico (Segnini, Chagna, & Vergara, 2018). Luego se pasa a una etapa el análisis y la creatividad que dan forma a la idea del producto, y en la que se analizan distintas alternativas para luego seleccionar una de ellas para llegar al diseño de detalle y definir formalmente al producto y las especificaciones técnicas para su prueba. Aquí se verifica entre otros aspectos, la seguridad, la calidad, confiabilidad y mantenimiento. En esta fase también se verifican las características técnicas como compatibilidades dimensionales, de ensamblado y montaje con miras a su fabricación. Finalmente se fabrica un prototipo que debe retroalimentarse hasta llegar a un producto mínimo viable.

4. Diseño de la propuesta

Para la selección de mecanismos y formas se sigue un proceso analítico jerárquico necesario para ejecutar el paquete computacional Expert Choice Comparion, se les da un valor numérico a las opciones planteadas que están regidas bajo el principio de la metodología y acorde a propiedades y procesos analíticos, para que la herramienta sintetice dichos valores y tome las decisiones que se adapten a los requerimientos y determinantes del proyecto.

4.1.Alternativas para la forma de diseño

En el bosquejo preliminar del diseño de la forma, se exponen alternativas geometrías orgánicas que concilian el concepto de diseño y se asocian a los sistemas protésicos contemporáneos, para ello, se consideran mecanismos que cumplen con las restricciones de movimiento asociadas a la prótesis de rodilla.

Mecanismo 1: Está compuesto por un sistema monocéntrico (tipo bisagra), la flexoextensión se produce alrededor de un solo eje, el cual permite un giro de la articulación de 90°, como se muestra en la figura 2a.

Mecanismo 2: Es un sistema policéntrico el cual posee dos ejes de rotación, este permite que el Centro Instantáneo de Rotación (CIR) varíe en función del ángulo de flexoextensión de rodilla, ver figura 2b.

Mecanismo 3: Es un sistema policéntrico con dos ejes de rotación, a diferencia del mecanismo 2, este cuenta con un amortiguador hidráulico para el eje central, ver figura 2c.

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

Una vez que se evalúan las alternativas de acuerdo con los criterios y su ponderación se obtiene que el más apropiado es el mecanismo tres (3) según se aprecia en la figura 3. De igual manera, se observa que el mecanismo 1 (prótesis monocéntrica) es la que presenta menor costo, numero de elementos y complejidad del armado, pero tiene una estabilidad muy baja, motivo por el cual se descarta. Así mismo, el mecanismo policéntrico 2 al igual que el mecanismo 3, tiene una excelente estabilidad y apertura para el movimiento flexo-extensión, pero tiene un nivel de complejidad de armado y nÚmero de elementos mayor que la propuesta seleccionada.

4.2.Diseño personalizado de la pierna protésica

El método propuesto por (Mei, 2015), para medir la extremidad a diferentes niveles de amputación, se utiliza para diseñar y desarrollar una prótesis de bajo costo con tecnología de impresión 3D. El objetivo es crear un método de medición personalizado que sea util para crear una extremidad protésica idéntica a su pierna no amputada. Este consiste en capturar imágenes fotográficas de la extremidad no amputada, estas imágenes son procesadas y vectorizadas en el software Autodesk Inventor® para poder obtener silueta de la extremidad (ver figura 4.a) y así con las siluetas en varios perfiles poder realizar el modelado 3D de la extremidad (ver figura 4.b).

4.3.Alternativas de diseño personalizado para la pierna protésica

Una vez procesada la extremidad y modelada en 3D, se precede a generar alternativas de formas para el diseño.

Modelo 1: Esta propuesta, se diseñó pensando en la ligereza de la estructura, para ello se propone generar un orificio en la parte central de la extremidad modelada (ver figura 5a), la forma de dicho orificio se realizó pensando en la sucesión de Fibonacci y su relación con la naturaleza.

Modelo 2: Esta propuesta muestra un texturizado en la zona central de la extremidad modelada (ver figura 5b), dicho texturizado se basó en la distribución de los paneles de abeja, el cual muestra un patrón de hexágonos perfectos distribuidos uniformemente.

Modelo 3: este diseño se apoyó en el modelado paramétrico basado en el diseño generativo, el cual, es un proceso de búsqueda de formas que puede imitar el enfoque evolutivo de la naturaleza para el diseño. El objetivo, principal al igual que las opciones anteriores, era aligerar la estructura (ver figura 5c). Para ello, el software utilizado (Autodesk Fusion 360) puede comenzar con objetivos de diseño y luego explorar innumerables posibles permutaciones de una solución para encontrar la mejor opción.

Las tres propuestas fueron proyectadas bajo la condición de acoplarse a los diferentes mecanismos para que se puedan armonizar y obtener la prótesis deseada. Además, se desarrollaron siguiendo el método de medición personalizado, 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.

Con estas propuestas, se plantea un análisis de alternativas, donde los criterios considerados por orden de importancia son: estética del producto, la ligereza del producto, la dificultad de fabricación de las propuestas, 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 el modelo 3 como la propuesta de forma más idónea (ver Figura 6), el cual consta de orificios con patrones irregulares para aligerar el peso del producto.

Como se observa en la figura 6, los tres modelos tienen comportamientos estructurales similares al igual que en dificultad de fabricación, las diferencias más significativas se presentan en ligereza del producto y en la estética, en donde el modelo 3 se destacó por encima de las demás propuestas.

Finalmente, para definir los materiales de cada uno de los elementos diseñados, la prótesis se diseñó para ser procesada con tecnología de impresión 3D, motivo por el cual se utilizará el material Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS), el cual es el segundo material más popular en Ecuador. Por su disponibilidad en el país y su resistencia mecánica, el ABS es el termoplástico mejor posicionado para usarse en la impresión 3D. De igual manera, el mecanismo está pensado desarrollarse en aluminio, por ser un metal producido en el país y con una densidad baja con respecto a otros metales.

5.Resultados y propuesta

Una vez seleccionadas las dos propuestas mediante el análisis jerárquico, se fusionan en un solo producto de manera de aligerar aún más la propuesta final sin afectar el comportamiento estructural. La figura 7 muestra el resultado de la generación de la geometría en Inventor® para cada uno de los componentes que conforman el dispositivo protésico de rodilla:

Articulación de rodilla: La articulación de rodilla es una pieza de geometría muy especial, que fue diseñada para fabricarse en aluminio T6061, tratando de no aumentar excesivamente el peso, y tomando en consideración las cargas involucradas en su desempeño. Esta pieza cierra el mecanismo de la prótesis al estar unida con el actuador, por medio del eje superior, y con la pierna protésica impresa, por medio del eje articular de rodilla, tal como se muestra en la figura 7. La articulación de rodilla presenta igualmente un agujero en su cara superior, de acuerdo con dimensiones estándar de adaptadores comerciales, para unir la prótesis al encaje (cuenca) del paciente.

Actuador neumático: El actuador solo cumple la función de accionar el retorno de la pierna a su posición original, se usa para controlar el movimiento de la pierna durante la fase de balanceo. El actuador consiste básicamente de un pistón lineal conformado por un cilindro y un vástago que se mueve dentro de éste. Asimismo, el actuador presenta orificios transversales en ambos extremos para su conexión con el resto del mecanismo por medio de ejes, en este caso, los ejes superior e inferior que se muestran en la figura 7. La pierna protésica incorpora adaptadores convencionales (superior e inferior) para el acople del pie protésico y el encaje del muñón. Con el fin de estandarizar el producto.

Para finalizar es importante detallar el peso de la prótesis, esta se obtiene recurriendo a su geometría y se introducen las densidades respectivas de acuerdo con el material de cada pieza, obteniendo como resultado un peso total de 1.5 Kg, donde se muestra la contribución de cada uno de los componentes al peso total de la prótesis.

5.1. Análisis estructural

El análisis de esfuerzos fue hecho utilizando el método de elementos finitos (MEF). De acuerdo con el diseño mostrado en la figura 13. las piezas involucradas en éstos, con sus respectivos materiales, son las siguientes: la pierna protésica ABS, los ejes en acero inoxidable, la articulación de rodilla y los adaptadores superior e inferior en aluminio, el actuador no se tomará en cuenta para el análisis por ser un producto comercial estándar.

Las cargas de contacto pie-superficie aplicadas en los análisis realizados fueron tomadas de acuerdo con Nordin y Frankel (2001) y lo estipulado en las Norma ISO 10328:2006, quienes dividen la fase de apoyo del ciclo de marcha de acuerdo con los eventos mostrados. Se llevó a cabo un estudio cuasi-estático para cada uno de estos eventos, tomando en consideración las cargas respectivas para una persona de 100kg de peso, las cuales se muestran en la tabla 1. Estas cargas en realidad actúan a lo largo de la planta del pie, a medida que el contacto de éste con el piso avanza, no obstante, en aras de simplificar el cálculo, el corrimiento del punto de contacto del pie con el piso no fue considerado, así como tampoco los momentos debidos a la traslación de las fuerzas de reacción del piso, hasta los puntos de aplicación de estas en los modelos estudiados.

Por otra parte, la fuerza aplicada por el actuador sobre la prótesis es una de las principales cargas a tomar en cuenta al momento de hacer el análisis de esfuerzos. Esta fuerza se transmite a través del mecanismo y fue calculada a partir del torque aplicado por una rodilla pasiva a lo largo del ciclo de marcha. En cuanto a las simulaciones, los análisis son estáticos, los materiales se consideran lineales e isotrópicos, y la condición de carga utilizada corresponde a la sub-fase de impulso (más crítica) mostrada en la tabla 1. El análisis estructural estático, se realizó con mallas refinadas de topologías tetraédricas (ver figura 8) que convergen hacia la solución.

En la figura 8 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 (1200N) y el peso de 100kg del usuario es menor que la resistencia del material, ya que, éste no sobrepasa los 17.46 MPa; mientras que la resistencia a la fluencia del ABS es de 20 MPa. De igual manera para la articulación de rodilla, los esfuerzos no son mayores a 63.37 MPa, los cuales están muy por debajo de la resistencia a la fluencia del aluminio.

Por lo anterior, es fácil visualizar que, con estas magnitudes de trabajo, la prótesis no fallará y tendrá deformaciones pequeñas.

5.2. Propuesta final

El producto final es una prótesis de rodilla, la cual, está compuesta por un cuerpo rígido y un mecanismo de articulación (ver figura 9). El cuerpo rígido o pierna protésica es un elemento diseñado anatómicamente para que adopte la forma de la pierna sana del usuario, de tal forma, que la persona se sienta segura y a la vez, tenga un sentido de pertenencia por el producto. Por otra parte, el mecanismo de articulación está diseñada para que mecánicamente cumpla la función de flexo-extensión de la rodilla.

5.3.Costo asociado al prototipo

Se fabricó el prototipo tomando como proveedores de los componentes las casas comerciales Aluvid®, Madec®, ubicadas en la ciudad de Ibarra. Para la tercerización de los procesos de fabricación, la empresa LaFabrica3D® (impresión 3D) ubicada en Guayaquil y el FabLab Yachay (Mecanizado CNC) ubicada en Urcuquí. Obteniéndose un precio de fabricación del prototipo de 240 dólares. Se debe destacar que esto es un precio referencial de la fabricación del prototipo, si este proceso es realizado industrialmente, su costo puede bajar considerablemente ya que el 50% del producto se va en la tercerización del mismo y en las compras detalladas de los componentes. A pesar de ello, se demuestra que es posible desarrollar una pierna protésica que cumpla con movimientos de flexión y extensión, con materiales disponibles en el mercado nacional y accesible para la población que no puede costear un equipo de manufactura extranjera.

6.Conclusiones

Se realizó un proceso de diseño del prototipo de la prótesis de rodilla para pacientes con amputaciones transfemorales. El proceso seguido consideró la evaluación y selección de posibles alternativas de solución para el sistema de accionamiento y material, con la ayuda de las herramientas computacionales Autodesk Inventor® y Fusion 360 (CADCAE) se realizó el modelado y documentación de la geometría del dispositivo protésico, el estudio cinemático y el análisis estructural del dispositivo.

Se ha desarrollado una propuesta de diseño que cumple con movimientos de flexión y extensión, basado en un mecanismo sencillo con un grado de libertad con materiales disponibles en el mercado nacional y accesible para la población que no puede costear un equipo de manufactura extranjera.

Los resultados de análisis estructural obtenidos para la distribución del esfuerzo y el factor de seguridad muestran que la geometría planteada, basándose en la posición donde la absorción de carga sobre el mecanismo es más crítica, cumplen con los requisitos preestablecidos donde el mecanismo y la pierna protésica no se deformará permanentemente. Por lo tanto, el dispositivo de protésico de rodilla 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.

References

Referencias

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