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Análisis numérico-experimental de prótesis reversa de hombro

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ANÁLISIS NUMÉRICO- EXPERIMENTAL DE

PRÓTESIS REVERSA DE HOMBRO

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JULIO 2014

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C O N E S P E C I A L I D A D E N

D I S E Ñ O M E C Á N I C O

P R E S E N T A :

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ESSCCUUEELLAASUSUPPEERRIIOORRDEDEININGGEENNIIEERRÍÍAAMMEECCÁÁNNIICCAAYYEELLÉÉCCTTRRIICCAA S

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Agradecimientos

A mi familia, ya que gracias a su apoyo he llegado hasta aquí. Gracias por su paciencia y cariño,

también por alentarme cada día y desde luego por todo el amor que me han dado a lo largo de mi vida.

Sin su apoyo yo no hubiera logrado alcanzar una de las más importantes metas de mi vida, concluir mi

posgrado.

A mis directores de Tesis y en especial al Dr. Guillermo Urriolagoitia Sosa, por el apoyo que me dio

para lograr realizar este trabajo, y también por su amistad y confianza que me brindó desde el principio.

Sin su ayuda este trabajo no lo hubiera concluido en tiempo y forma. Al Dr. Guillermo Urriolagoitia

Calderón, que más allá de sus buenos consejos, es quien al dirigir al grupo de Biomecánica contribuye

de manera muy importante en cada trabajo realizado. Gracias a los dos que a la vez fueron mis

profesores y me brindaron sus conocimientos.

A mis profesores, Luis H. Hernández G., quien siempre está ahí cuando se le necesita y siempre nos

ayuda a culminar nuestros trabajos. En definitiva una persona que agradezco haber tenido la

oportunidad de ser su alumno. Al Dr. Juan A. Beltrán F., quien es un excelente profesor del cual aprendí

mucho de lo que presento en mi trabajo. Al Dr. Carlos Torres T., quien es un investigador de un nivel al

que aspiro llegar. Sin duda un ejemplo a seguir. Al Dr. Cristopher R. Torres S., quien me ayudó mucho

para poder concluir mi Tesis, además de apoyarme con una parte fundamental de mi trabajo. Gracias

por el apoyo:.

A todos mis compañeros y amigos que me ayudaron con mi trabajo y me brindaron un poco de sus

conocimientos y por su interés en mi trabajo.

A mi amiga incondicional Susana González D., quien a estado a mi lado apoyándome en cada

momento. Gracias por ser una inspiración y una parte fundamental para la culminación de este trabajo.

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) por el apoyo económico brindado durante

la realización de este trabajo.

Al Instituto Politécnico Nacional y a Mi Alma Máter la ESIME, por darme la oportunidad de continuar

con mi formación académica.

(5)

RESUMEN

Desde tiempos inmemoriales el hombre a dedicado gran arte de su tiempo en el estudio de la anatomía

humana, lo cual lo ha llevado a desarrollar mecanismos de mucha utilidad que fueron inspirados por los

sutiles y precisos movimientos del cuerpo humano. Con el paso del tiempo se fueron perfeccionando

este tipo de mecanismos gracias a que se desarrollaron materias más especializadas para el estudio del

cuerpo, lo que llevó a que el hombre adquiriera un conocimiento muy basto sobre la anatomía.

Actualmente en nuestro país nos encontramos con personas que tienen malformaciones, nacieron con la

falta de algún miembro o simplemente fueron amputados a causa de alguna enfermedad o accidente, lo

que ocasiona que dichas personas sean incapaces de llevar acabo actividades muchas veces

indispensables para su vida. Es por eso que hoy en día, el diseño y manufactura de materiales

biocompatibles ayudan a esas personas satisfagan algunas necesidades que sin esos componentes seria

imposible. Tal es el caso de las prótesis, que pueden suplir un miembro y así poder seguir con las

actividades diarias sin muchas complicaciones. Es importante decir que no solo es posible suplantar

brazos o piernas con una prótesis, ya que también existen otras variantes de prótesis que pueden suplir

o ayudar a mejorar el funcionamiento de partes del cuerpo sin ser retiradas, de hecho es posible suplir

casi cualquier parte del cuerpo.

En el caso de este trabajo en particular nos enfocamos en una endoprótesis de Hombro, la cual se

coloca sin la necesidad de retirar el miembro, su función es para dar apoyo a un hueso que se encuentra

en mal estado, tal es el caso del Hombro, que al ser una parte tan móvil del cuerpo humano llega a ser

una de las partes del cuerpo más exigentes, así que es por eso que las endoprótesis de Hombro han

tenido una evolución tan rápida, ya que se busca devolver al paciente la máxima movilidad después de

ser implantada la prótesis. Una prótesis de este tipo es de gran ayuda cuando se tiene fracturas o alguna

enfermedad desgastó el hueso, ya que las endoprótesis simplemente se injertan dentro del hueso y así

de esta manera dan apoyo al hueso sin necesidad de retirarlo y suplirlo por otra prótesis. Se analiza la

endoprótesis reversa de Hombro para valorar su funcionalidad, y si presenta fallas a la hora de que una

persona tenga la necesidad de levantar algún peso con el brazo donde se encuentra la prótesis y se

corrobora el análisis de manera experimental por último se evalúa cual es el peso máximo que soporta

(6)

ABSTRACT

Since time immemorial man has dedicated great art of his time in the study of human anatomy, which it

has been very useful to develop mechanisms that were inspired by the subtle and precise movements of

the human body. With the passage of time were improved such mechanisms because more specialized

body for the study materials were developed, which led to the man acquire a very rough knowledge of

the anatomy.

Currently in our country we find people who have malformations were born with missing limb or

simply were amputees due to illness or injury, which causes such person is unable to carry out activities

often indispensable for life. That's why today, the design and manufacture of biocompatible materials

help meet those people that needs some serious without those components impossible. Such is the case

of the prosthesis, which can supply an individual and be able to continue with daily activities without

much hassle. It is important that it is not only possible to replace arms and legs with a prosthesis, and

that there are other variants of prostheses that can supply or help improve the functioning of parts of the

body without being removed, it is indeed possible to meet almost any part of body.

In the case of this particular work we focus on a shoulder endoprosthesis, which is placed without the

need to remove the member, their role is to support a bone that is in poor condition, as is the case

shoulder that being such a moving part of the human body becomes a party to the most demanding

body, so that's why stents shoulder have had such rapid evolution, as it seeks to return the patient

maximum mobility after being implanted prosthesis. A prosthesis of this type is helpful when you have

any fractures or bone disease wore because stents simply grafted into the bone and so thus giving

support to the bone without having to remove and replace him by another prosthesis. Reverse Shoulder

stents to assess its functionality is analyzed, and if it becomes defective when a person has the need to

lift some weight with the arm where the prosthesis and the analysis is confirmed experimentally

(7)

Índice de contenido

RESUMEN...3

ABSTRACT...4

Índice General...5

Capitulo 1. Estado del Arte...5

Capitulo 2. Marco Teórico...5

Capítulo 3. Análisis Numérico Elástico...6

Capítulo 4. Análisis Numérico Elasto-Plástico...6

Capítulo 5. Análisis Experimental...7

Discusiones y Conclusiones...7

Índice de Figuras...8

Capitulo I...8

Capítulo II...8

Capítulo III...8

Capítulo IV...9

Capítulo IV...10

Discusiones y Conclusiones...10

Índice de Tablas y Graficas...11

Capítulo III...11

Capítulo IV...11

Capítulo V...11

Discusiones y Conclusiones...11

OBJETIVO...12

Objetivos particulares...12

JUSTIFICACIÓN...13

INTRODUCCIÓN...14

Índice General

Capitulo 1. Estado del Arte

I.1.- Introducción...2

I.2.- Antecedentes históricos sobre las prótesis...4

I.3.- Prótesis de extremidad superior...14

I.4.- Artroplastia de miembro inferior...16

I.5.- Artroplastia de miembro superior...17

I.6.- Endoprótesis de Hombro...18

I.7.- Planteamiento del problema...20

I.8.- Sumario...20

I.9.- Referencias...21

Capitulo 2. Marco Teórico

II.1.- Fisiología del Hombro...24

(8)

II.3.- Artritis Glenohumeral de Hombro...29

II.4.- Principales causas de la artritis glenohumeral...31

II.5.- Reemplazo protésico...34

II.6.- Endoprótesis de Hombro...35

II.6.1.- Endoprótesis Restrictivas Totales...36

II.6.2.- Endoprótesis Restrictivas Totales Reversa (invertidas)...38

II.6.3.- Endoprótesis no restrictivas Totales...40

II.6.4.- Endoprótesis semi -restrictivas Totales...41

II.7.- Sumario...42

II.8.- Referencias...43

Capítulo 3. Análisis Numérico Elástico

III.1.- Método de Elemento Finito y la Biomecánica...45

III.2.- Aplicación del Método de Elemento Finito...45

III.3.- Caso de estudio...46

III.4.- Desarrollo del modelo...46

III.5.- Casos de estudio en particular...50

III.6.- Condiciones de frontera para la prótesis...53

III.7.- Propiedades mecánicas del Vitallium...54

III.8.- Preparación del modelo a analizar...55

III.9.- Restricciones para el análisis...56

III.10.- Especificaciones de la carga para el caso 1...56

III.11.- Análisis del caso 1. Carga aplicada a 45º...57

III.12.- Especificación de la carga para el caso 2...59

III.13.- Análisis del caso 2. Carga aplicada a 90º...60

III.14.- Especificación de la carga para el caso 3...62

III.15.- Análisis del caso 3. Carga aplicada a 150º...63

III.16.- Sumario...65

III.17.- Referencias...66

Capítulo 4. Análisis Numérico Elasto-Plástico

IV.1.- Caso de estudio...68

IV.2.- Casos de estudio en particular...68

IV.3.- Preparación del modelo y condiciones de frontera para la prótesis...71

IV.4.- Condiciones de carga para el caso 1...71

IV.4.1.- Análisis de caso 1. Carga aplicada a 45º...71

IV.4.1.1.- Desplazamiento máximo en X...72

IV.4.1.2.- Carga en el eje X...73

IV.4.1.3.- Carga en el eje Y...73

IV.4.1.4.- Carga en el eje Z...74

IV.5.- Condiciones de carga para el caso 2...74

IV.5.1.- Análisis del caso 2. Carga aplicada a 90º...75

IV.5.1.1.- Desplazamiento máximo en eje X...75

IV.5.1.2.- Carga en el eje X...76

(9)

IV.5.1.1.- Carga en el eje Z...78

IV.6.- Condiciones de carga para el caso 3...79

IV.6.1.- Análisis del caso 3. Carga aplicada a 150º...79

IV.6.1.1.- Desplazamiento máximo en eje Y...79

IV.6.1.2.- Carga en el eje X...80

IV.6.1.3.- Carga en el eje Y...81

IV.6.1.4.- Carga en el eje Z...81

IV.7.- Sumario...82

IV.8.- Referencias...82

Capítulo 5. Análisis Experimental

V.1.- Endoprótesis de Hombro...84

V.2.- Preparación del banco de trabajo...85

V.3.- Instalación de galgas extensiométricas [V.2]...90

V.3.1.- Limpieza de la pieza...90

V.3.2.- Preparación de la superficie...90

V.3.3.- Preparación de la galga...90

V.3.4.- Colocación de las galgas...91

V.3.5.- Preparación para la prueba experimental...92

V.4.- Prueba experimental...93

V.5.- Sumario...96

V.6.- Referencias...96

Discusiones y Conclusiones

C.1.- Conclusiones...98

C.2.- Análisis elástico...99

C.2.1.- Análisis elástico a 45º...100

C.2.2.- Análisis elástico a 90º...100

C.2.3.- Análisis elástico a 150º...101

C.3.- Análisis elasto-plástico...102

C.3.1.- Desplazamiento máximo en los ángulos de 45º, 90º y 150º...102

C.4.- Análisis experimental...107

C.5.- Corroboración de resultados...110

(10)

Índice de Figuras

Capitulo I

Figura I.1.- Generalización de diversos amputados...2

Figura I.2.- Diversos tipos de prótesis...3

Figura I.3.- Prótesis de miembro inferior de madera...4

Figura I.4.- Da Vinci, algunos estudios y notas sobre el cuerpo humano...5

Figura I.5.- Publicación Motu Animalium...6

Figura I.6.- Prótesis Flex-Foot para atletas...7

Figura I.7.- Prótesis egipcia...8

Figura I.8.- Götz Von “mano de Hierro” Berlichingene...9

Figura I.9.- Evolución de las prótesis...10

Figura I.10.- Visualización de las extremidades humanas...11

Figura I.11.- Prótesis de pierna del siglo XIX...12

Figura I.12.- Primera prótesis de pierna en Aluminio...12

Figura I.13.- Muñón y prótesis...13

Figura I.14.- Ejemplo de prótesis activas y pasivas...14

Figura I.15.- Prótesis mioleléctrica de mano...15

Figura I.16.- Artroplastia de rodilla...16

Figura I.17.- Artroplastia de miembro superior...17

Figura I.18.- Prótesis radiocarpiana...18

Figura I.19.- Endoprótesis de Hombro...19

Capítulo II

Figura II.1.- Movimiento del Hombro en los tres ejes principales...24

Figura II.2.- Planos ortogonales de referencia...25

Figura II.3.- Anatomía del Hombro...26

Figura II.4.- Clavícula...27

Figura II.5.- Escápula...28

Figura II.6.- Húmero...29

Figura II.7.- Músculos del Hombro...31

Figura II.8.- Ejemplo de desgaste causado por artritis...32

Figura II.9.- Ejemplo de Osteonecrosis...33

Figura II.10.- Prótesis de Jules Emil Péan...34

Figura II.11.- Ejemplo de endoprótesis de Hombro...35

Figura II.12.- Variante de prótesis de Hombro...36

Figura II.13.- Endoprótesis restrictivas totales...38

Figura II.14.- Endoprótesis restrictivas totales reversa (invertidas)...40

Figura II.15.- Endoprótesis no restrictivas totales...41

Figura II.16.- Endoprótesis semi-restrictivas totales...42

Capítulo III

Figura III.1.- Prótesis del tipo Delta. a) Componente humeral. b) Componente humeral y componente glenoideo...47

(11)

Figura III.3.- Modelos de prótesis en SolidWorks...49

Figura III.4.- Prótesis. (Acotaciones en mm)...50

Figura III.5.- Abducción...50

Figura III.6.- Ritmo escapulohumeral...51

Figura III.7.- Elevación escapulohumeral. a) Base. b) 1er Caso. Siendo “C” El eje tomado como base a 0º con la columna vertebral, “E” El eje de la escápula, “H· El Húmero...52

Figura III.8.- Elevación escapulohumeral. a) 2do Caso. b) 3er Caso. Siendo “C” El eje tomado como base a 0º con la columna vertebral, “E” El eje de la escápula, “H· El Húmero...52

Figura III.9.- Modelo de prótesis mallado...55

Figura III.10.- Restricciones especificadas...56

Figura III.11.- Aplicación de carga, caso 1...57

Figura III.12.- Resultado del desplazamiento, caso 1 (mm)...57

Figura III.13.- Esfuerzo Von Mises, caso 1 (MPa)...58

Figura III.14.- Esfuerzo Tresca, caso 1 (MPa)...58

Figura III.15-. Esfuerzo Cortante, caso 1 (MPa)...59

Figura III.16.- Aplicación de carga, caso 2...59

Figura III.17.- Resultado del desplazamiento, caso 2 (mm)...60

Figura III.18.- Esfuerzo Von Mises, caso 2 (MPa)...61

Figura III.19-. Esfuerzo Tresca, caso 2 (MPa)...61

Figura III.20-. Esfuerzo Cortante, caso 2 (MPa)...62

Figura III.21.- Aplicación de carga, caso 3...62

Figura III.22-. Resultado del desplazamiento, caso 3 (mm)...63

Figura III.23-. Esfuerzo Von Mises, caso 3 (MPa)...64

Figura III.24-. Esfuerzo Tresca, caso 3 (MPa)...64

Figura III.25:- Esfuerzo cortante, caso 3 (MPa)...65

Capítulo IV

Figura IV.1.- Movimiento de abducción...68

Figura IV.2.- Elevación escapulohumeral. a) Base. b) 1er Caso. Siendo “C” El eje tomado como base a 0º con la columna vertebral, “E” El eje de la escápula, “H· El humero...69

Figura IV.3.- Elevación escapulohumeral. a) 2do Caso. b) 3er Caso. Siendo “C” El eje tomado como base a 0º con la columna vertebral, “E” El eje de la escápula, “H· El humero...69

Figura IV.4.- Condiciones de frontera...71

Figura IV 5.- Dirección de la carga a 45º...72

Figura IV.6.- Desplazamiento en el eje X (mm)...72

Figura IV.7.- Resultado de esfuerzos para eje X (MPa)...73

Figura IV.8.- Resultado de esfuerzos para eje Y (MPa)...73

Figura VI.9.- Resultado de esfuerzos para eje Z (MPa)...74

Figura IV.10.- Dirección de la carga a 90º...75

Figura IV.11.- Desplazamiento en el eje X (mm)...76

Figura IV.12.- Resultado de esfuerzos para eje X (MPa)...76

Figura IV.13.- Resultado de esfuerzos residuales eje X...77

Figura IV.14.- Resultado de esfuerzos residuales eje Y...77

Figura IV.15.- Resultado de esfuerzos para eje Y (MPa)...78

Figura IV.16.- Resultado de esfuerzos para eje Z (MPa)...78

Figura IV.17.- Dirección de la carga a 150º...79

(12)

Figura IV.19.- Resultado de esfuerzos para eje X (MPa)...80

Figura IV.20.- Resultado de esfuerzos para eje Y (MPa)...81

Figura IV.21.- Resultado de esfuerzos para eje Z (MPa)...82

Capítulo IV

Figura V.1.- Endoprótesis de Hombro impresa con impresora 3D...84

Figura V.2.- Ensamble de banco de trabajo...85

Figura V.3.- Base del banco...85

Figura V.4.- Plancha superior del banco...86

Figura V.5.- Banco completo y base para prótesis...86

Figura V.6.- Medidas del banco de trabajo...87

Figura V.7.- Base de montura de prótesis...87

Figura V.8.- Barrenos en rondana...88

Figura V.9.- Machuelos en base...89

Figura V.10.- Muestra para fijación de prótesis...89

Figura V.11.- Neutralizador...90

Figura V.12.- Prótesis y material para el pegado de galgas...91

Figura V.13.- Posición de las 3 galgas. a) Para la galga 1. b) Para la galga 2. c) Para la galga 3...92

Figura V.14.- Sujeción de la prótesis...93

Figura V.15.- Prótesis sujetada...93

Figura V.16.- Carga y puente de Wheatstone...94

Figura V.17.- Carga a 10 y 30 kg...94

Figura V.18.- Prótesis con carga de 100 kg...95

Discusiones y Conclusiones

Figura C.1.- Desplazamiento máximo y mínimo en análisis elástico a 45º (mm)...100

Figura C.2.- Desplazamiento máximo y mínimo en análisis elástico a 90º (mm)...101

Figura C.3.- Desplazamiento máximo y mínimo en análisis elástico a 150º (mm)...101

Figura C.4.- Desplazamiento máximo y mínimo en análisis elasto-plástico a 45º (mm)...103

Figura C.5.- Desplazamiento máximo y mínimo en análisis elasto-plástico a 90º (mm)...104

Figura C.6.- Desplazamiento máximo y mínimo en análisis elasto-plástico a 150º (mm)...105

Figura C.7.- Esfuerzos residuales en el eje X...106

Figura C.8.- Esfuerzos residuales en el eje Y...107

Figura C.9.- Corroboración de resultados a 20 kg...111

Figura C.10.- Corroboración de resultados a 40 kg...112

Figura C.11.- Corroboración de resultados a 60 kg...112

Figura C.12.- Corroboración de resultados a 80 kg...113

(13)

Índice de Tablas y Graficas

Capítulo III

Tabla III.1.- Antropometría de Latinoamérica...48

Tabla III.2.- Dimensiones del Húmero [III.4]...49

Tabla III.3.- Relación de peso de miembros del cuerpo humano. (datos manejados en %)...54

Capítulo IV

Tabla IV.1.- Propiedades mecánicas del Vitallium...71

Capítulo V

Tabla V.1.- Resultados obtenidos...95

Discusiones y Conclusiones

Tabla C.1.- Deformaciones y esfuerzos...107

Gráfica C.1.- Esfuerzo deformación de galga 1...109

Gráfica C.2.- Esfuerzo deformación de galga 2...109

(14)

OBJETIVO

Este trabajo tiene como objetivo la evaluación numérica y experimental de una endoprótesis reversa de

Hombro tomando en cuenta tres casos de estudio, para conocer como se comporta el material cuando se

encuentra en ciertas posiciones. Se plantea el análisis de manera estática y en dos formas, una como

propuesta elástica y otra elasto-plástica aplicando una carga que representa la condición critica a la que

es sometido el material. También se realiza una evaluación experimental y se corroboran los resultados

obtenidos para validar la parte experimental.

Objetivos particulares

• Conocer la anatomía y fisiología del Hombro

• Llevar a cabo una investigación que nos permita saber cuales fueron los inicios de las prótesis y

su evolución a lo largo del tiempo

• Evaluar el desempeño de la prótesis mediante el método de elemento finito

• Evaluar el despeño de la prótesis de manera experimental

(15)

JUSTIFICACIÓN

Desde siempre ha existido la necesidad de brindarle mayor calidad de vida al ser humano. De esta

forma los avances en la medicina han sido de gran importancia- En el caso de las prótesis no ha sido la

excepción, ya que son una buena alternativa para personas que sufren algún accidente y necesitan un

reemplazo de un miembro del cuerpo, o simplemente porque de nacimiento se tiene una malformación.

En el caso de las endoprótesis sucede lo mismo, ya que a diferencia de las prótesis estas se integran en

el cuerpo y ayudan de soporte a el hueso, lo que hace que las personas que sufren de artritis o artrosis

mejoren su calidad de vida, ya estas enfermedades degeneran el hueso hasta llevar a consumir el

cartílago y parte del hueso dejando inmovilizado el brazo causando mucho dolor. Esto ocurre mas con

los adultos mayores, los cuales por la edad pierden propiedades en sus huesos lo que provoca que sea

mas facial enfermar.

La importancia del Hombro se debe a que es un miembro que tiene una gran capacidad de movimiento

mas que cualquier otra arte del cuerpo, así que cuando una persona sufre de artrosis en el Hombro sus

capacidades para realizar ciertas actividades reducen casi un 50%, es por eso que es importante el

diseño y manufactura de endoprótesis de Hombro. Lo cual nos lleva a que es también de vital

importancia realizar estudios a las prótesis que circulan en el mercado, para asegurarse de que son de

(16)

INTRODUCCIÓN

El Hombro ha sido estudiado por muchos especialistas en medicina al igual que en el área de la

biomecánica, dado que es un miembro del cuerpo muy completo y con un gran rango de movimiento.

Es por eso que la fabricación de endoprótesis de Hombro es de suma importancia, ya que mucha gente

requiere de ellas para que les sean implantadas, Aun así es necesario que se hagan estudios sobre los

componentes que son colocados en una cirugía de Hombro, ya que sino se analiza a detalle puede

ocasionar que el material utilizado en dicha prótesis no es lo eficiente y eso provocaría que se tuviera

que hacer de nuevo una intervención quirúrgica para retirar la endoprótesis dañada e injertar una nueva.

Esto des luego ocasiona muchos problemas, ya que retirar una endoprótesis es muy complicado y ni

hablar del paciente el cual puede tener infecciones muy graves por una prótesis inadecuada.

Aquí se busca analizar la prótesis para ver si es capas de resistir grandes cargas sin verse afectada, y

para ello se utiliza el método de Elemento Finito, el cual ha demostrado ser una herramienta

computacional muy útil para la evaluación de todo tipo de prótesis.

La endoprótesis de Hombro tipo Delta es una de las prótesis mas nuevas que se están manejando hoy

en día, y al ser reversa sirve para casos en los que el Hombro se encuentra en condiciones muy malas,

ya sea por fractura o por osteoartritis, también el material utilizado en esta prótesis es muy innovador y

no muy utilizado aún. La endoprótesis reversa de Hombro parece dar solución a muchos de los

problemas que otras endoprótesis de Hombro presentan, sin embargo, el diseño de es ta prótesis no

parece ser muy adecuado para satisfacer las necesidades de una persona que necesite de este tipo de

prótesis. La evaluación tanto elástica como elasto-plástica es importante porque nos permitirá conocer

como es que se comporta esta prótesis.

Al ser evaluada con el material que se propone nos da un campo de estudio mayor. ya que no es muy

(17)

Capítulo I

Estado del Arte

(18)

I.1.- Introducción

Dentro de las capacidades motoras del ser humano, se puede nacer con la falta de una extremidad o perder un miembro por cuestiones accidentales, lo cual es un factor determinante en la vida de una persona. La ausencia de una extremidad (inferior y/o superior) impide de manera notable la realización de tareas cotidianas que una persona completamente saludable efectúa a lo largo de su vida y produce dependencia de un tercero en la realización de diversas tareas (Figura I.1).

En otro sentido de ideas, los individuos con deficiencias o ausencia de un miembro por lo regular cubren esta insuficiencia por medio de la aplicación y utilización de un sistema prostético. La palabra prótesis es un cultismo que tiene sus orígenes del griego (πρóθεσιζ (prótesis)) [I.1] y se desglosa como “antes” “yo pongo”. Sin embargo en términos generales dentro de la Medicina, la prótesis es una extensión artificial de reemplazo para una parte faltante del cuerpo [I.2]. Así es que, de acuerdo con la definición las prótesis de uso cosmético quedan completamente excluidas, como por ejemplo; los ojos de vidrio, las piernas de madera, etc.

Por otro lado, existen una gran variedad de prótesis, algunas de ellas son las prótesis oculares, faciales, maxilofaciales, sexuales, dentales, auditivas y miembros artificiales [I.3] (Figura I.2). Este trabajo se enfoca en los miembros artificiales.

(19)

Si bien, el uso de prótesis puede ser consecuencia de accidentes, enfermedades, mal formaciones, etc. El factor determinante que impulsó el desarrollo de las mismas, es la necesidad de mejorar la calidad de vida de las personas que lo necesitaran. Por lo que el desarrollo de prótesis involucra la necesidad de fusionar conocimientos de la fisiología y biomecánica humana, mecanizado de materiales y prototipos de mecanismos. Así como, interfaz hombre-máquina. Actualmente existen diferentes tipos de prótesis para remplazar extremidades. Desde las más complejas que son llamadas prótesis inteligentes y permiten a la extremidad reaccionar de manera natural a los movimientos de una persona, hasta las más simples fabricadas con materiales resistentes, pero económicos. La elección de alguna de estas prótesis depende de las necesidades del paciente. Sin embargo, aún se depende mucho del poder adquisitivo del

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paciente para hacerlo. En la antigüedad, por ejemplo, la única opción eran prótesis de madera que llegaban a ser muy incomodas (Figura I.3) [I.4].

I.2.- Antecedentes históricos sobre las prótesis

Desde la antigüedad, el ser humano ha estudiado e intentado comprender el funcionamiento del cuerpo humano y así aumentar su conocimiento para poder comprenderlo de una mejor manera. Asimismo, se han realizado diversos intentos para simular sus funciones y aplicaciones. Largos han sido los estudios referentes al cuerpo humano, existe uno en especial que presenta la mayor importancia, tanto por su aportación, como por ser el primero registrado del que se tiene conocimiento. Este análisis discute acerca de los movimientos de los animales, que fue realizado por Aristóteles [I.4] con el cual se realizaba el primer análisis de carácter científico acerca de la marcha humana. Así como, como el estudio geométrico de la actividad muscular (Figura I.4).

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Tiempo después, en las notas sobre el cuerpo humano realizada por Leonardo Da Vinci, se presentan las primeras observaciones sistemáticas de los movimientos humanos junto con una descripción referente a la mecánica del cuerpo humano (Figura I.4) [I.5]. Sin embargo, Da Vinci no solo fue el precursor de estudios dinámicos del cuerpo humano, sino que también realizó gran avances científicos en el comportamiento de los sistemas de los órganos internos.

A principios del renacimiento, surgieron nuevos desarrollos en la cultura, pero principalmente en la medicina, con lo cual se retomaron fuertemente las investigaciones de los griegos y romanos relacionadas con las prótesis En esta época se elaboraron prótesis de hierro, cobre, madera y acero principalmente. Por 1512, circuló una historia sobre una persona que le faltaba un brazo la cual con su prótesis podía quitarse el sombre o hasta firmar, esto fue registrado por un cirujano en un viaje por Asia. [I.6]

Para 1591 se desarrolló un trabajo muy importante y clave en el desarrollo sobre prótesis. El cual establecía las bases experimentales y teóricas para el análisis del movimiento. Este trabajo fue realizado por Galileo Galilei, quien tiempo después publicó un tratado titulado de Animalium Motivus

[I.7 y I.8]. Este tratado desarrollaba temas relacionados directamente con la Biomecánica de la marcha y del salto humano. También se enfocó en insectos y algunos animales.

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Ya para 1600, Giovanni Borelli dio a conocer un estudio precursor de la comprensión del funcionamiento optimizado de palancas del sistema músculo esquelético [I.9]. Más tarde en el libro Motu Animalium, se hace énfasis de la ventaja mecánica de los músculos que inician el movimiento (Figura I.5) [I.10]. Mientras que por otro lado, Isaac Newton con su segunda ley proporcionó una herramienta muy importante para el análisis cinético y cinemático del movimiento [I.11]. Todos estos estudios lograron aumentar el conocimiento sobre el cuerpo humano y con el tiempo, todos los avances en esta área fueron la base para lo que hoy se conoce como Biomecánica.

La Biomecánica abarca un área muy amplia de la ciencia y su aplicación más importante está fundamentada en el ámbito deportivo, Lo anterior se fundamenta en la interacción de fuerzas, realizadas en cada uno de los movimientos. Con lo cual es posible analizar de una mejor manera las lesiones que sufren los atletas. Ahora bien, hay que resaltar que sí efectivamente los avances y la mayoría de los análisis se realizan en atletas y se entiende bien que se puede corregir un problema en el cual existe una exposición a lesiones más frecuentes y de mayor grado. Entonces en teoría, es más fácil la corrección de problemas a una persona que no se somete a ese tipo de esfuerzo físico. Además, el interés en los atletas se encuentra altamente conexo con el fondo económico que conlleva el valor de un deportista.

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No siempre los motivos por el cual una prótesis sea necesaria se deben a actividad física, ya que a través de la historia, el ser humano ha estado expuesto a enfermedades y lesiones sufridas que no permiten realizar una actividad cotidiana. Así como, lesiones de origen degenerativo o malformaciones de nacimiento y desde luego damnificaciones por conflicto bélicos. Es por tal razón, que estos problemas son los principales para el desarrollo de las prótesis, las cuales han resultado ser una valiosa herramienta. La cual es capaz de restituir la acción que realizaba el miembro faltante. Sin embargo esta sustitución se lleva a cabo en aspectos muy básicos, como es la comodidad, funcionalidad y apariencia del paciente (Figura I.6) [I.12]

Es difícil establecer con certeza en que momento el ser humano inicio con uso de las prótesis. Lo que sí se sabe es que la evolución protésica es larga. Desde sus comienzos tal vez primitivos, pasando por las épocas de los egipcios o la primera guerra mundial, donde el campo de la protésica evolucionó mucho, ya que se inició a explorar más detalladamente esta área. Para así, dar paso a dejar de lado materiales obsoletos como el caso del Hierro en las prótesis.

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La prótesis más antigua que se han encontrado data de la época de los egipcios, la cual fue hallada por unos arqueólogos alemanes en el año 2000 (Figura I.7). Esta prótesis fue fabricada por medio de madera y se sujetaba con correas de cuero a la pierna. Por loBedford, A. y K que era sólo una prótesis estética. También se le realizaron análisis por medio de rayos X, lo cual reveló que hubo una extirpación del dedo en cuestión. Sin embargo, ciertas marcas en la base de la prótesis indican que al parecer funcionó de apoyo al caminar, lo cual ayudó a evitar que su sufriera una grave cojera [I.6]. Otro caso de una prótesis conocida es la del caso de Götz Von Berlichingene (Figura I.8). El cual perdiera un brazo cerca de 1504, es un ejemplo claro de la forma en que se buscó de una manera lo más viable posible implementar una prótesis que pudiera sustituir una deficiencia física, en este caso un brazo. Mano de Hierro como se le conocía también a Götz Von Berlichingene podía hacer grandes cosas con su mano ortopédica de Hierro y que era completamente funcional. Ya que Berlichingene

podía manejar las riendas de su caballo, empuñar su espada e incluso escribir [I.6].

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Al poder remplazar alguna parte del cuerpo, se ayudaba de una manera muy importante a las personas que carecían de algún miembro y esto les ayudaba a que se pudieran realizar sus actividades cotidianas con mayor facilidad. Sin embargo, es necesario aclarar que aunque el propósito de las prótesis es la de auxiliar a las personas con amputación, no se puede dejar atrás el hecho de que en muchas ocasiones los pacientes se veían afectados emocionalmente. Así que no sólo se trata de proveer a un paciente con una prótesis, sino que también hay que trabajar en el ámbito psicológico con ellos, para que su recuperación posterior a la intervención quirúrgica sea satisfactoria [I.13].

Como se puede observar durante el desarrollo de esta breve historia de las prótesis, la gran mayoría de información está relacionada con el remplazo de extremidades. Donde siempre se está buscando mejorar el estilo de vida y por qué no, mejorar el aspecto físico. Sin embargo, con el paso del tiempo se han ido presentando nuevas necesidades. Por lo cual ya en estos tiempos existen un sin número de modelos diferentes para cada parte del cuerpo. Claro esto proporciona la posibilidad de remplazar elementos que antes no se hubiera pensado poder lograr; como articulaciones, estructuras óseas e incluso remplazos de corazón. Los tiempos modernos han brindado la tecnología necesaria para lograr hacer grandes avances en el área protésica. Pudiendo así, no solo mejorar el aspecto físico de una persona con falta de algún miembro. Sino que ahora ya pueden regresar a sus actividades cotidianas, sin tener complicaciones con el uso de las nuevas prótesis (Figura I.9).

Aunque tal vez el único inconveniente referente a la evolución tecnológica de las prótesis, es que aún se está trabajando para que estos sistemas sean de mayor y más fácil acceso a todas las personas en el

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mundo. Ya que son las prótesis por lo regular son bastante costosas y no todos los individuos tienen la capacidad económica para adquirir de una prótesis de última generación. Teniendo que recurrir muchas veces a prótesis de reuso, que en muchas ocasiones no son compatibles al 100% con el paciente y esto podría causar serios daños a largo plazo.

En otro sentido de ideas, de manera general se puede establecer que las extremidades del cuerpo humano se dividen en dos; superiores e inferiores. Las superiores son los brazos, los cuales están unidos al tórax y las inferiores son las piernas las cuales se unen a la pelvis (Figura I.10)

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Al desarrollar prótesis se toma en cuenta el desarrollo que se haya suscitado en la cirugía. Ya que los dos se encuentran muy ligados, porque para adaptar una prótesis se depende completamente de que el muñón sea adecuado. Con los avances quirúrgicos en amputaciones surge un interés en lo que es la rehabilitación del paciente [I.14]. Todo empezó con la incursión de la famosa pata de palo, pero el descubrimiento de nuevos materiales influyó en gran medida para la invención de los modelos ahora conocidos, que son mucho más avanzados y de gran importancia (Figura I.11).

Si bien se encuentra establecido que por estragos de la guerra se amputaban miembros o se perdían por esta misma circunstancia. En la Edad Media, igualmente se realizaron numerosas amputaciones provocadas por la artillería pesada o por los castigos que se eran impuestos, lo que era muy común en esa época [I.14]. En 1696, Pieter Verduyn desarrolló la primera prótesis por debajo de la rodilla sin mecanismo de bloqueo. En base a este trabajo en 1800, el londinense James Potts realizó un diseño de una pierna de madera la cual constaba de una articulación que se controlaba por tendones de cuerda de tripa de gato que se ajustaba desde la rodilla al tobillo y su rodilla de acero la hacían muy resistente

Figura I.10.- Visualización de las extremidades humanas

Extremidades Superiores

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[I.6]. Sin duda una mejora considerable a la ya realizada por Pieter Verduyn.

Con el paso del tiempo, se desarrollaron avances en el área de la cirugía y en el uso de nuevos materiales para las prótesis. Tal fue el caso de famoso aviador ingles Marcel Desoutter el cual perdió una pierna en un accidente de avión y con ayuda de su hermano diseñaron lo que sería la primera prótesis de Aluminio [I.15]. Con esto se da un nuevo salto hacia el diseño y elaboración de prótesis. Así como, la aplicación de nuevos materiales facilitó la elaboración de prótesis y mejoró por mucho la

Figura I.11.- Prótesis de pierna del siglo XIX

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comodidad de utilizar una prótesis (Figura I.12).

El desarrollo del centro de rehabilitación, instituido a raíz de la Primera y Segunda Guerra Mundial, es un lugar donde se atendía a las personas mutiladas. Gracias a estos sucesos se impulsó de manera importante la investigación y desarrollo de la técnica protésica. Dando muy buenos resultados y conceptos antes poco valorados como lo es la sujeción de las prótesis. De este modo, el nuevo enfoque que se le daba a las prótesis, también dio lugar a tomar con mayor importancia el muñón. De esta forma es posible el mejor contacto entre prótesis-muñón, logrando que la prótesis tenga un mejor funcionamiento y el paciente un mayor control [I.16] (Figura I.13).

Es necesario considerar que no cualquier paciente puede ser candidato a este tipo de intervenciones. Por lo que se deben tomar en cuenta diversos factores, como por ejemplo; el estado mental, la edad, si presenta alguna enfermedad y más importante el nivel de amputación que la persona presenta, ya que de esto depende la complejidad de la proterización. Porque en algunas ocasiones la persona deja de usar la prótesis al no poder acoplar el uso de ella a su vida cotidiana [I.17]. Por otra parte, existe un tema el cual desde tiempo atrás no ha sido tratado con el interés que se requiere y es él concerniente con las articulaciones. Las articulaciones sufren muchas afectaciones, pero como el enfoque de las

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prótesis estaba más atribuido a las partes anatómicas faltantes que generalmente se atribuían al sistema musculo-esquelético pues es por eso que las articulaciones no eran tomadas con mucho interés [I.1818]. La Artritis Reumatoide (AR), es la principal afección de origen articular. Es un padecimiento crónico, el cual se presenta con síntomas que pueden generar grandes deformaciones de las articulaciones. Estos síntomas son rigidez y fuerte dolor local. La Artritis Reumatoide es destructiva para las articulaciones y comienza con un proceso proliferativo de la membrana sinovial, culmina con la erosión del cartílago articular y con la destrucción el hueso adyacente [I.19].

I.3.- Prótesis de extremidad superior

Las extremidades superiores están enfocadas principalmente a la manipulación de objetos. Tomando en cuenta lo anterior, se debe suponer que las prótesis deben de cumplir con este parámetro. Mejor dicho, deben lograr manipular objetos al igual que lo hace la mano real. Por lo tanto, mejorar la calidad de vida y facilitar las actividades habituales. Siempre cuidando el aspecto estético del individuo que la utiliza. Sin embargo, en un principio no se podía lograr nada de esto, ya que estos remplazos se desarrollaban la mayoría en madera y claro. Estos primeros implantes no poseían movimiento alguno o si lo tenían era muy limitado.

Los remplazos de miembro superior se pueden clasificar en dos tipos de prótesis. Pasivas; las cuales solo tiene la función de que se vean bien estéticamente aunque su función sea muy limitada y Activas; las cuales suplen el funcionamiento requerido por el individuo, así que en este caso este tipo de prótesis pueden realizar movimiento para imitar a la mano lo mejor que se pueda [I.20] (Figura I.8).

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La prótesis de miembro superior requiere de tres funciones (motora, sensitiva y comunicativa) que son básicas para la mano, que gracias al descubrimiento de nuevos materiales y a que el conocimiento en esta área ha crecido constantemente se a podido lograr que los resultados en las prótesis de miembro superior sean cada vez mejores. Estas prótesis no solo se enfocan a atender amputaciones o remplazos como tal, sino que también conociendo la problemática que hay en ocasiones con la estructura ósea como lo eran antes las fracturas incorrectamente consolidadas, trastornos congénitos etc.. Sin embargo a pesar de ser la más frecuente, también se debían considerar los tejidos blandos ya que pueden presentar defectos ocasionados por tumefacción (hinchazón) o cicatrices.

Una mala consolidación de una fractura en hueso humano puede presentar un engrosamiento anormal o cambio de forma. Como consecuencia se puede llegar a limitar el movimiento del miembro. Así que dichas afectaciones deben ser tratadas por especialistas en ortopedia, ya que ellos pueden proporcionar el diagnóstico adecuado conforme a distintas pruebas [I.21]. Asimismo, conociendo bien el tipo de lesión, fractura o amputación y dependiendo el caso, se puede colocar una órtesis. Que comúnmente son colocadas de manera externa, con la finalidad de colaborar con la función de la parte afectada. Como por ejemplo, si el problema es en el antebrazo, se puede colocar una prótesis que va soportada del tronco para proporcionar estabilidad. Ahora bien, en este caso de prótesis los avances han hecho que dichas prótesis se conviertan en dispositivos totalmente controlables por medio de señales mioeléctricas, que incorporan unos electrodos [I.14]. Los cuales reaccionan a las señales musculares producidas por la concentración muscular del muñón, realizando así varias funciones, como por ejemplo el abrir y cerrar de la mano protésica (Figura I.15).

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I.4.- Artroplastia de miembro inferior

La artroplastia es una operación quirúrgica que tiene por objeto la reconstrucción de una articulación destruida o anquilosada (sin flexibilidad o movimiento), mediante la resección de las partes articulares y la interposición de una prótesis para recuperar la función y suprimir el dolor. Las intervenciones más habituales que se realizan en las extremidades superiores como son las de hombro y codo (así como miembros inferiores, cadera y rodilla) [I.22] (Figura I.16). Este procedimiento se realizó a mitad del siglo XIX, ya que los cirujanos de la época pretendían proporcionar movilidad a las zonas afectadas resecando la articulación dañada. De esta manera la propuesta que ellos presentaban para ese tratamiento de las afecciones articulares fue la interposición de materiales propios de organismos (grasa, músculo o piel) ó ajenos (bakelita o vidrio) sin embargo a pesar de ser funcionales no eran de mucha utilidad [I.23].

El 22 de noviembre de 1826 a un paciente que padecía rigidez de cadera se le aplicó dicho procedimiento, el cual se llevó acabo en el Hospital de Pensykvania con un gran número de estudiantes y médicos, fue efectuado por John Rhea Barton y es el primer tratamiento del que se tiene conocimiento [I.24].

Tratando de manera extensa un tema que casi no se tomaba en cuenta, y haciendo énfasis en la

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tolerancia de los tejidos blandos a los cuerpos extraños. Temistocles Gluck publica Autoplasty Omplantation of foreing bodies y así diseñando una prótesis de marfil [I.25]. Asimismo su contemporáneo Jules Péan dado su interés por las artroplastias y con el descubrimiento de los rayos X, se dedica a diseñar prótesis de tibia y fémur [I.25].

I.5.- Artroplastia de miembro superior

En 1893 se realizó la primera artroplastia de hombro y fue realizada por Jules Péan el cual publica un artículo sobre la reconstrucción de la articulación del hombro a través de una prótesis construida de platino para el tratamiento de tuberculosis glenohumeral. Esta artroplastia consistía de una prótesis total, con un sistema de movimiento el cual consistía de una bola de caucho endurecido [I.25]. Tiempo después Neer introduce la prótesis parcial de cabeza de húmero con vástago (Figura I.17)

Posterior a las experiencias con prótesis de cadera, rodilla y hombro, utilizando el mismo modelo conceptual, se realizan las primeras prótesis de codo en el año 1970. Las cuales al principio solo poseían un grado de movimiento, flexo-extensión [I.20]. Hecha de silicona e interpuesta en el capo a la vez que anclada en el brazo y los metacarpianos se realizó la primera prótesis de muñeca. Su funcionamiento estaba dado por la propia elasticidad del material utilizado [I.26]. La primera de estas

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prótesis fue diseñada por Meuli, la cual constaba de tres componentes; el elemento distal en forma de cúpula fijada al segundo y tercer metacarpiano. Otra parte proximal que es fijada por medio de dos barras al radio mediante cemento. Sin embargo, centrada sobre el segundo metatarsiano y una parte intermedia de forma esférica en polietileno fija al componente radial [I.20] (Figura I.18).

I.6.- Endoprótesis de hombro

En los últimos años, la artrosis de hombro, la artritis reumatoide y claro, las fracturas de la cabeza del humero han provocado que cada vez sea más frecuente la endoprótesis de hombro. La cual ha dado muy buenos resultados ayudando a pacientes con mucho dolor o incluso inmovilidad del miembro. Cabe destacar que es una cirugía que se lleva cabo en menor proporción que la de rodilla y cadera ya que dicha articulación no carga mucho peso. Esta artroplastia logra muy buenos resultados aunque la recuperación llega a ser un poco tardada y la movilidad no llega a ser completa. Sin embargo, el principal problema que presenta esta prótesis total de hombro es que sufre aflojamientos en el componente glenoideo. Así que en caso de luxación se debe considerar muy bien la cirugía, ya que la posición de la cabeza humeral protésica es muy exigente [I.27] (Figura I.19).

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Para utilizar una endoprótesis es importante conocer varios factores importantes, que pueden influir mucho a la hora de realizar una artroplastia. Como por ejemplo; la anatomía quirúrgica, la descripción de las técnicas quirúrgicas y los principales diseños de endoprótesis entre otros. El que el material de las endoprótesis sea biológicamente compatible es de suma importancia. Ya que de no serlo el paciente puede perder el miembro debido a una infección. En Brasil por ejemplo, estudian el aceite de una planta biológicamente compatible. Lo cual, es de gran utilidad ya que con su ayuda se pueden desarrollar nuevos materiales [I.28]. Por otra parte a la hora de la fijación de la prótesis es recomendable hacerlo con más de una técnica, ya que este tipo de prótesis suele tener serios problemas con la fijación al hueso glenoideo, tomando en cuenta que se debe estudiar con mucho cuidado la articulación, para una mejor fijación con los tejidos blandos a la prótesis.

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I.7.- Planteamiento del problema

Desde tiempos inmemoriales el hombre ha dedicado mucho tiempo en el estudio del cuerpo humano. Innumerables descubrimientos y desarrollos han sido inspirados por sus sutiles y complejos movimientos, lo que ha llevado a que la gran mayoría de las invenciones mecánicas han sido inspiradas en el funcionamiento del cuerpo humano. A la fecha existen materias especializadas dedicadas al estudio del movimiento y comportamiento del cuerpo, como en el caso de la Biomecánica, otras más que buscan corregir anomalías o defectos como en el caso de la Biónica, la cual con ayuda de componentes artificiales intenta corregir dichos problemas, para así satisfacer las necesidades del ser humano. Con la ayuda de la prótesis las personas que tenían algún problema físico, ya sea que hayan sido causados por accidentes o porque así nacieron, han podido rehabilitarse y regresar a su vida cotidiana. Empero a la fecha el principal problema de las endoprótesis es que no logran hacer que una persona tenga el movimiento natural del cuerpo, ya que dichas prótesis aún son inestables y sobre todo que en el caso particular de esta endoprótesis no se ha sometido a las pruebas necesarias para verificar que el material es adecuado y soporta el trabaja diario del brazo.

Es por ello que se evaluará esta endoprótesis sometiéndola a cargas superiores de lo que puede realizar el ser humano y en en diferentes ángulos para averiguar si la endoprótesis reversa es capaz de resistir un uso extremo.

I.8.- Sumario

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1.9.- Referencias

1.- Ibarra, J., Diccionario de la Lengua Castellana, Ed. Real academia Española, pp. , 1791.

2.- Lisandro, P. y Moreno, H., Prótesis Robóticas, Departamento de Automática, Ingeniería electrónica e Informática Industrial, pp. 1-6, 2006.

3.- Velásco, C., Arévalo, A., Córdoba, O., Low, C., Tipos de Prótesis y la Robótica, Programa de Ing. Biomédica, pp. 5-10, 2011.

4.- Izquierdo, M., Biomecánica y bases neuromusculares de la actividad física y el deporte, Ed. Médica Panamericana, pp. 4-9, 2008.

5.- Mompín, J., Introducción a la Bioingeniería, Ed. Marcombo, pp. 3-12, 1988.

6.- Norton K., Un breve recorrido por la historia de la protésica, InMotion, pp. 2-3, 2007.

7.- Galilei, G., Discorsi e Dimostrazioni Matematiche Intorno a due Nuove Scienze Attinenti allaMecanica e i Movimente Locali, Ed. Elsevier, , 1638.

8.- Galilei, G., Azcárate, C. y Doncel, M. G., La nueva ciencia del movimiento, Ed. Publicaciones de la Universidad Autónoma de Barcelona, pp. 182, 1988.

9.- Borelli, G. A., On the Movement of Animals, Ed. Springer, pp., 1989. 10.- Borelli, G. A., De Motu Animalium, Ed. Altera, pp., 1743.

11.- Bedford, A. y Kenneth, M. L., Mecánica de materiales, Ed. Pearson Educacion De Colombia, pp. 184, 2002.

12.- Gómez, J. L., Las prótesis; Restauración del individuo, Ciencia y Desarrollo, pp. 62-67, 2006. 13.- González, J. M., Gimeno, F., Flotats, G. y Olivera, C., Rehabilitación Domiciliaria;Principios, Indicaciones y Programas Terapéuticos, Ed. Elsevier, pp. 232, 2005.

14.- Zambudio R., Prótesis, órtesis y ayudas técnicas, Ed. Elsevier, pp. 69-88 y 146, 2009.

15.- Marks, L. J. y Michael, J. W., Science, medicine, and the future; Artificial limbs, British Medical Journal (BMJ), pp. 732-735, 2001.

16.- González, M. A., Cohí, O. y Salinas, F., Amputación de la Extremidad Inferior y Discapacidad; Prótesis y Rehabilitación, Ed. Elsevier, pp. 41, 2005.

17.- Durante, P. y Pedro, P., Terapia Ocupacional en Geriatría; Principios y Práctica, Ed. Elsevier, pp. 202, 2004.

18.- Quintero, M., Monfort, J. y Mitrovic, D. R., Osteoartrosis; Biología, Fosopatología, Clínicay Tratamiento, Ed. Médica Panamericana, pp. 86, 2009.

(38)

20.- Miralles, R. C., Valoración del Daño Corporal en el Aparato Locomotor, Ed. Elsevier, pp. 173-188, 2001.

21.- Burgos, J., Fracturas Cirugía Ortopédica y Traumatología, Ed. Médica Panamericana, pp. 198, 1999.

22.- Morrey, F., Artroplastia; Reemplazos Articulares, Ed. Médica Panamericana, pp., 1994.

23.- Miralles, I. y Miralles, R. C., Biomecánica Clínica de las Patologías del Aparato Locomotor, Ed. Elsevier, pp. 351-363 y 366, 2007.

24.- Mazón, A. y Paz, J., Artroplastias No Cementadas de Cadera, Ed. Universidad de Oviedo, pp. 17-19, 1997.

25.- Callaghan, J. J., Rosenberg, A. G. y Rubash, H. E., The Adult Hip, Ed. Lippincott Williams & Wilkins, pp. 7, 2007.

26.- Sociedad Española de cirugía ortopédica y traumatología, Manual de Cirugía Ortopédica y Traumatología, Ed. Médica Panamericana, pp. 984, 2010.

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Capítulo II

Marco Teórico

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II.1.- Fisiología del hombro

El hombro es el miembro de la extremidad superior que se une al tronco y al cuello, es la articulación más móvil del cuerpo humano. Posee tres grados de libertad por lo cual le permite a dicho miembro orientarse en cualquiera de los tres planos del espacio (Figura II.1) [II.1]

• El eje transversal.- Permite los movimientos de flexión y extensión realizados en el plano sagital

• El eje anteroposterior.- Permite los movimientos de abducción y aducción realizados en el plano frontal.

• El eje vertical.- Dirige los movimientos de flexión y extensión realizados en el plano horizontal.

• El eje longitudinal.- Se puede describir este cuarto eje de movimiento respecto al humero ya que es el que le permite realizar movimientos de rotación interna y externa con respecto a su propio eje.

Los tres planos ortogonales de referencia son perpendiculares entre ellos y se cruzan en un punto

Figura II.1.- Movimiento del hombro en los tres ejes principales Eje vertical

Eje longitudinal Eje anteroposterior

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localizado en el centro del hombro, denominándose: (Figura II.2) [II.2]

• Plano sagital.- También conocido como para-sagital, ya que este plano pasa por el eje longitudinal del cuerpo. Plano de flexión y extensión.

• Plano frontal.- También conocido como plano coronal, es paralelo al plano de apoyo dorsal. Plano de aducción y abducción.

• Plano transversal.- Perpendicular al eje del cuerpo. Plano de la flexo-extensión horizontal.

Figura II.2.- Planos ortogonales de referencia Plano sagital

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II.2.- Anatomía del hombro

El hombro se puede denominar complejo articular, ya que consiste en una serie de articulaciones que trabajan juntas para orientar la extremidad superior. Este hecho le confiere su principal característica, una gran movilidad. Por lo cual no es sencillo su estudio biomecánico. Esta conformado principalmente por 3 huesos (Figura II.3). La clavícula (Figura II.4) es un hueso largo, par, colocado transversalmente desde el esternón (Figura II.3) al omóplato. Tiene una ligera forma de una S alargada. Se distinguen dos caras, dos bordes y dos extremos. En la cara superior se insertan, por dentro del esternocleidomastoideo y por fuera, el deltoides y el trapecio. (Figura II.5) En la cara inferior se insertan en el pectoral mayor.

Figura II.3.- Anatomía del hombro Esternón Clavícula

Escápula

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La escápula u omóplato son huesos planos posteriores y de forma irregular casi triangular que presentan en su ángulo superior externo una cavidad semiesférica para la articulación del miembro superior. Sin duda el hueso del hombro más complejo por su forma irregular, el cual tiene: (Figura II.5)

• Tres bordes.- superior, lateral y medial.

• Tres ángulos.- lateral, superior e inferior.

• Dos superficies.- costal y superior.

• Tres apófisis.- el acromion, la espina y la apófisis coracoides.

Figura II.4.- Clavícula

Vista superior

Medial

Superficie de articulación con el

acromion

Superficie de articulación con el esternón y primer

cartílago costal

Tubérculo conoideo

Vista inferior

Tubérculo conoideo Línea trapezoidea

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Figura II.5.- Escápula Apófisis coracoides

Escotadura de la escápula Superficie de articulación con la claviculá Borde superior Ángulo superior Fosa supraespinosa Acromion Borde medial

Escotadura escapular mayor Espina de la

escápula

Cavidad glenoidea Fosa

infraespinoza Tubérculo intraglenoideo Borde lateral Ángulo superior

Tubérculo supraglenoideo Acromion Apófisis coracoides Ángulo inferior Cavidad glenoidea Superficie articular para

la clavícula

Espina de la escápula

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El húmero son huesos largos que encajan en la cavidad formada por la escápula permitiéndole una gran movilidad. En la parte inferior se une con el antebrazo, para crear la articulación del codo. (Figura II.6) [II.3]

II.3.- Artritis Glenohumeral de hombro

La artritis de hombro es una condición fisiológica dolorosa que requiere una atención especial. El daño y la degeneración de las superficies de cartílago articular, de la cavidad glenoidea o la cabeza humeral comprometen la normal congruencia fluida de la articulación [II.4]. Si bien es menos frecuente que la de cadera, rodilla o manos, su impacto potencial en el estilo de vida se ve muy afectado provocando

Figura II.6.- Húmero

Carilla superior en tubérculo mayor Tubérculo mayor

Surco intertubercular

Cabeza Tubérculo menor

Cuello anatómico Surco intertubercular

Cuello quirúrgico Crestas de tubérculo

mayor y menor y suelo

del surco interbercular Inserción del pectoral mayor Tuberosidad deltoidea Tuberosidad

deltoidea Inserción del

coracobraquial

Tubérculo mayor Carilla superior Cuello anatómico Carilla media Cuello quirúrgico

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serios problemas al individuo afectado. Este problema da como resultado movimientos discontinuos y una degeneración muy rápida.

Con el paso del tiempo se ha buscado resolver el problema de la artritis con ayuda de endoprótesis, las cuales han evolucionado muy rápidamente para así lograr conseguir un reemplazo satisfactorio del hombro dañado por esta enfermedad. El desarrollo de endoprótesis involucra a Ingenieros especialistas en la Biomecánica. Así como, médicos ortopedistas, lo que ha hecho que a lo largo de la historia se hayan desarrollado un numero bastante grande de estás endoprótesis de hombro. Que buscan lograr satisfacer las necesidades de los pacientes.

Durante la primera mitad del Siglo XX, fueron muy pocos los que incursionaron en la artroplastia. En 1951 Krueger [II.5], tiempo después Judet, el cual diseñó una hemiprótesis (prótesis parcial) acrílica para el tratamiento de las fracturas de humero. Un año después aparece la primera generación del que se convertiría en el verdadero impulsor de la cirugía protésica de hombro, Neer [II.6] diseñó una prótesis construida de Vitallium, con lo cual revolucionó el desarrollo de prótesis ya que este material resultó perfectamente compatible con el cuerpo humano, evitando infecciones como con prótesis anteriores. El Vitallium es un aleación de 60% cobalto, 20% cromo, 5% molibdeno y otras sustancias, debido a su peso ligero y resistencia a la corrosión resultó ideal para el uso en endoprótesis así como en otros componentes.

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En algunos casos también la falta de líquido sinovial, provoca una disminución del rango de movimiento normal, y con esto la resistencia aumenta entre las dos superficies creando un desgaste progresivo [II.7]. Esta artropatía es la causa principal por la cual se realiza una artroplastia de hombro.

II.4.- Principales causas de la artritis glenohumeral

Los motivos por los cuales es necesario realizar una artroplastia se debe principalmente a 6 padecimientos:

Osteoartritis Primaria.- Este caso implica desgaste y desgarre del cartílago articular del labio glenoideo y la cabeza humeral. Afecta más comúnmente a mujeres y adultos mayores provocando una degeneración lenta.

Artritis Inflamatorias.- Ataca múltiples articulaciones y estas se alcanzan con la evolución de la enfermedad. Muy comúnmente se forman de osteoporosis causando cambios quísticos y erosiones óseas.(Figura II.8)

Figura II.7.- Músculos del hombro Deltoides

Redondo mayor Redondo menor

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Artropatía del manguito rotador.- Para este caso hay un gran número de eventos por los cuales se genera esta severa enfermedad, y las causas principales se dan por tener osteoartritis primaria, algún tipo de artritis o hasta una infección lo cual puede causar en la mayoría de los casos artritis glenohumeral. [II.8]

Osteonecrosis.- Conocida como necrosis avascular de la articulación glenohumeral puede ser traumática o no traumática [II.9]. Esta artropatía comúnmente sigue las fracturas de cabeza humeral en tres o cuatro partes de Neer. Es una enfermedad progresiva y requiere diagnóstico. Las causas principales son por quimioterapia, desordenes hematológicos y enfermedades metabólicas ocasionadas por alcoholismo, tabaquismo y uso de esteroides.(Figura II.9)

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Infección.- La artritis séptica de hombro no es tan común como la de rodilla o cadera. Su causa es más comúnmente en pacientes con diabetes o que hayan tenido una previa infiltración en el hombro. La presentación clínica de una articulación glenohumeral séptica es relativamente aguda, comparada con otras artropatías. En este caso se hace evidente el dolor y un rango de movimiento restringido, en ocasiones se debe drenar el exceso de pus en caso de que haya una excesiva presencia de ello.

Artritis neuropática.- También conocida como artropatía de Charcot, se define como una destrucción secundaria a los protectores de suministros nerviosos. Esto está asociado con condiciones como la siringomegalia (más común en codo), diabetes entre otras. Los pacientes presentan limitación y dolor. También pueden presentar calcificación perióstica con derrame articular. Lo más peligroso en este tipo de artritis es que dado a la calcificación incrementa en densidad la epífisis humeral pierde su perfil y finalmente la articulación desaparece, así que el hueso residual se puede fracturar y los fragmentos libres pueden hacerse presentes en la cavidad articular.

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II.5.- Reemplazo protésico

El desarrollo del reemplazo protésico de las articulaciones en la ortopedia es muy extensa. La evolución de las primeras ideas que tuvieron éxito, y las artroplastias probadas con el tiempo, están llenas de saltos entre éxitos y fracasos en los que han participado grandes talentos e este campo. De hecho, el amplio rango de movimiento del hombro (3 grados de libertad) y la gran seguridad del tejido blando para la estabilidad y funcionalidad han generado un despliegue variado de ideas e implantes que desde hace ya varios años han ayudado a que un individuo con una artritis glenohumeral pueda regresar a su vida cotidiana sin las limitaciones que le podía generar el hombro con esa artropatía. Aunque la visión más común es que el desarrollo de la artroplastia de hombro se ha retrasado tras sus contrapartes en la cadera y rodilla, es una articulación en la que se intentó el reemplazo total por primera vez, la cual realizo el cirujano Francés Jules Emil Péan en 1983 (Figura II.10) [II.10]

Antes de esto el marfil había sido utilizado como material de prótesis en una artroplastia de hombro, sin embargo el trabajo de Péan había sido muy novedoso ya que el utilizó materiales nunca antes usados para algo de ese tipo. El utilizó, goma y platino. Sin embargo el uso de materiales artificiales era completamente contradictorio a lo que la comunidad científica creía. No obstante su éxito tuvo corta vida, pero fue destacado y en especial por el diagnóstico y mejoría del paciente con dicha prótesis. La prótesis duró solo 2 años debiendo ser extraída con posterioridad debido a una grave complicación infecciosa. Pese al desarrollo de Péan, el retorno al uso de materiales artificiales extraños no se mantuvo por muchos años. Dado que las indicaciones para la artroplastia de ese tiempo eran la pérdida severa de la función antes que la artritis dolorosa, los procedimientos de hombro eran realizados con menor frecuencia. Neer publica en 1955 una serie de prótesis de hombro para la artroplastia de hombro,

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Figura II.1.- Movimiento del hombro en los tres ejes principales
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