INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA PRÓTESIS
ELECTROMECÁNICA DE LA MANO HUMANA
”
ASESORES:
M. EN C. JOEL FLORES MARTÍNEZ ING. JORGE BECERRA GARCÍA
México D.F. 2013
T E S I S
Q U E P A R A O B T E N E R E L T Í T U L O D E:
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
P R E S E N T A N:
AGRADECIMIENTOS
A mis padres, Francisco Ávila y Ma. Guadalupe Morales porque detrás de este logro están ustedes, su apoyo incondicional, su paciencia, esfuerzo y sus inagotables consejos en situaciones adversas, por formar parte de esta larga aventura que apenas comienza.
A mi hermano Paco, su esposa Julisa y mi sobrino Kalid, por siempre apoyarme, escucharme y darme ánimos para ser mejor, por brindarme momentos de alegría, diversión y tranquilidad, mi más sincero agradecimiento.
A mis abuelos, Margarito y Emma, por ser mi ejemplo a seguir y mi meta a superar, por ser mi fuente de fuerza y tenacidad, porque partieron juntos a un lugar mejor pero dejaron grabados en mi corazón recuerdos maravillosos, mil gracias.
Al profesor Joel Flores por sus enseñanzas, su trabajo y su tiempo, por guiarnos en el desarrollo de este trabajo de la mejor manera, con paciencia, fuerza y entrega.
Manuel y Jennyfer, a ustedes mi más profundo cariño, admiración y respeto, gracias por permitirme el privilegio de trabajar con ustedes, por ser mi mejor equipo, por brindarme su amistad y complicidad. Me siento orgulloso al saber que tenemos sueños y objetivos en común. Hoy una gran meta se cumple mientras otras más empiezan a tomar forma.
Finalmente mi infinito agradecimiento a mi Alma máter, el Instituto Politécnico Nacional, especialmente la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, por brindarme las bases académicas y prepararme para llevar una vida profesional llena de retos, logros y superación continua. A partir de hoy acepto el compromiso de llevar en alto el nombre de esta Institución y poner la Técnica al servicio de la Patria.
“tay hu g y, stay foolish
G acias…
A mis padres Aída Cruz Rodríguez y Juan Manuel Gómez Flores quienes siempre han estado conmigo dándome su amor incondicional, apoyándome a cada momento y enseñándome a ser feliz. Gracias por enseñarme a ser constante y disciplinado, por las bromas, las risas y lo muchos momentos hermosos. Gracias por darme más de lo que quizás merezco, por cuidarme aun cuando no estoy enfermo, por cada abrazo y cada beso, cada palabra de aliento y cada consejo. Muchas gracias por ser parte de este proyecto porque somos un equipo, como tú dirías ma, un mueganito. Pero sobre todo, muchas gracias por ser los mejores padres, los amo.
A mis hermanos Osmar y Pepe quienes siempre han estado a mi lado apoyándome, desvelándonos, jugando, riendo y disfrutando grandes momentos. Gracias por aguantarme en los buenos y malos ratos, por las bromas, los chistes e incluso los regaños. Osmi gracias por ser tan atento e independiente y por tener siempre un consejo. Pepe gracias por ser tan alegre y cariñoso, aun cuando no sea un buen día siempre me sacas una sonrisa.
Gracias a todos mis amigos, los cuales me han ayudado, aconsejado y con quienes he vivido grandes momentos. Cesar gracias por todo lo que me apoyaste, por nunca negarte a brindarme tu ayuda. Gracias por permitirme conocer a la gran persona que eres y muchas gracias por ser mi amigo sé que la vida te llenara de logros que te mereces y estaré para felicitarte. Jenn gracias por todo tu apoyo, por todo tu cariño, tus consejos, por estar conmigo y también gracias por tenerme tanta paciencia. Gracias por el gran equipo que hacemos y por ser tan especial. Sé que habrá muchos más logros como este y ahí estaré apoyándote, lo sabes, te adoro.
Gracias a todos mis profesores que me han impulsado a aprender y quienes han compartido sus conocimientos para llegar a este punto. En especial quiero agradecer al profesor Joel Flores quien ha sido un gran pilar en este trabajo de tesis y quien ha puesto toda su dedicación y disposición hacia nosotros, quien nos ha aconsejado y nos ha permitido conocer más a fondo el gran ser humano que es. Quiero agradecer también al profesor Arturo Mendoza quien disfruta lo que hace y por lo tanto contagia a sus alumnos, gracias por ser parte del siguiente paso que daré. Finalmente agradezco a mi escuela, a la cual le tengo un gran cariño por que llegue a ponerme la camiseta y salí para ya no quitármela, prometo siempre en donde este poner el alto con mis acciones el nombre de esta sagrada institución demostrando con orgullo ser del Instituto Politécnico Nacional.
G a ias…
A mis padres Silvia y Al e to…
Por estar siempre presentes en mi desarrollo personal y profesional, por todas aquellas noches que se desvelaron conmigo haciéndome sentir su apoyo incondicional y su interés por mi bienestar sin importar las pocas horas de descanso que les quedaran; por enseñarme que los éxitos se alcanzan con esfuerzo, constancia y disciplina; por su cariño, su comprensión, sus regaños y palabras de aliento. Gracias mamá por enseñarme a ver la vida tan diferente y por hacer que las cosas que parecen terribles se tornen siempre mejores. Gracias papá por enseñarme a ser tan independiente y a trabajar de la mejor manera, a dar siempre un poquito más de lo que se puede, sabes que este proyecto no hubiera sido lo mismo sin ti, como muchos otros en mi vida, po ue… o te pasa ada ¿ o? Hoy, además de darles las gracias, les dedico este fruto que no hubiera sido posible obtener sin ustedes tal como son y han sido conmigo, con g a ad i ació y todo i ca iño pa a ustedes… ¡ il g acias!
A is he a os Is ael y Jo atha …
Por ese gran ejemplo de sencillez, fuerza y superación, por cada una de las charlas que me han servido para sacar adelante lo que parece imposible en momentos de adversidad, por ser fuente de mi inspiración cada día y enseñarme que basta con esforzarse para poder alcanzar las metas que la vida y nosotros mismos nos pongamos, que las limitaciones están en nuestra propia mente y hay que superarnos a nosotros mismos y compararnos sólo con aquella persona que fuimos ayer. A cada una de mis cuñadas y sobrinos (Karina, Yesenia, Fernando, Valeria y Andrea), que me ayudan a no perder el asombro por las cosas cotidianas de la vida, ¡los adoro!
A is a igos y i ag ífi o e uipo de t a ajo…
Por ser parte de mi vida de una manera tan especial, por su apoyo y resistencia para sacar las cosas adelante o simplemente por esos momentos de diversión cuando teníamos que trabajar, por esa amistad tan linda y sincera, que estoy segura será para toda la vida; en especial a Cesar y Manuel, hoy podemos deci : lo log a os e uipo , felicidades po este log o colectivo y po supuesto por los personales, pues sé que vendrán muchos más. Gracias Manuel por estar presente en los mejores momentos y sobre todo en los peores, por apoyarme para salir delante de la mejor manera posible, sabes que eres inmensamente especial en mi vida, por cada una de las cosas lindas que hemos pasado y las que seguro pasaremos en esta nueva etapa que iniciamos, te amo.
A la familia de cada uno de nosotros tres por el gran apoyo siempre, por darnos los medios necesarios en todos los sentidos para hacer posible este gran proyecto. Sin ustedes no serían posibles nuestros logros; por los ánimos, los consejos y su amistad, muchas gracias los queremos mucho.
A i i stitu ió y is p ofeso es…
Al INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL por ser una de las mejores instituciones de México, por permitirme el honor de formar parte de la comunidad politécnica junto con mis amigos, compañeros y profesores, de quienes recibí la formación profesional que me permitirá continuar mi camino siempre con una bandera guinda y blanco que portaré con insuperable orgullo. En especial a mi asesor Joel Flores Martínez, sin usted hubiera sido muy difícil llegar a buen término con este proyecto, gracias por formar parte de nuestro equipo y acceder siempre a trabajar con nosotros, ha sido un gran ejemplo como profesionista y ser humano, porque directa o indirectamente siempre nos ha influenciado positivamente. Con respeto y admiración ¡GRACIAS!
ÍNDICE
ÍNDICE DE FIGURAS i
ÍNDICE DE TABLAS vi
OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL vii
OBJETIVOS ESPECÍFICOS vii
JUSTIFICACIÓN viii
INTRODUCCIÓN ix
ESTRUCTURA DE LA TESIS CAPÍTULO I. ANTECEDENTES 10
1.1. Estado del Arte de las Prótesis de Mano 11
CAPÍTULO II. ANATOMÍA Y FISIOLOGÍA DE LA MANO HUMANA 22
2.1. Descripción del Músculo Esquelético 23
2.1.1. Generalidades de la Contracción Muscular 28
2.2. Estructura Ósea de la Mano Humana 29
2.3. Sistema Extensor de los Dedos 30
CAPÍTULO III. ELECTROMIOGRAFÍA 33
3.1. Origen de la Señal Electromiográfica (EMG) 34
3.2. Registro de la señal mioeléctrica (SME) 36
3.2.1. Electrodos de Superficie 38
3.2.2. Posición de los Electrodos de Superficie 39
3.2.3. Acondicionamiento de la SME 40
CAPÍTULO IV. DISEÑO DEL PROTOTIPO 41
4.1. Requisitos de Diseño 42
4.2. Diagrama a Bloques 43
4.3.1. Electrodos de Biopotencial 46
4.3.2. Amplificadores Operacionales 48
A) Amplificador de Instrumentación 48
B) Amplificador de Propósito General 49
4.3.3. Filtro Pasa Banda 50
4.3.4. Filtro Notch 51
4.3.5. Amplificador (Variable) 51
4.3.6. Atenuador (Variable) 52
4.3.7. Convertidor de CA a CD (Circuito MAV) 52
4.3.8. Post-Amplificación 53
4.3.9. Microcontrolador 53
4.3.10. Servomotores 54
4.3.11. Fuente de alimentación 56
CAPITULO V. CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO 58
5.1. Construcción de la Parte Electrónica 59
5.1.1. Electrodos de Biopotencial 59
5.1.2. Amplificador de Instrumentación 60
5.1.3. Etapa de Filtrado 61
A) Filtro Pasa Bajas 62
B) Filtro Pasa Altas 63
C) Filtro Notch 64
5.1.4. Amplificador Variable 65
5.1.5. Atenuador Variable 65
5.1.6. Circuito MAV 67
5.1.7. Microcontrolador 67
5.1.8. Servomotores 74
5.1.9. Fuente de Alimentación 74
5.1.10. Construcción del Circuito Impreso 76
5.2. Construcción de la Parte Mecánica 80
5.2.2. Fabricación de los Dedos, Palma y Dorso 82
5.2.3. Colocación de los Servomotores 83
CAPITULO VI. PRUEBAS Y RESULTADOS 85
6.1. Parte Electrónica 86
6.1.1. Etapa de Registro 86
6.1.2. Etapa de Pre Amplificación 88
6.1.3. Etapa de Filtrado 91
A) Filtro Pasa Bajas 91
B) Filtro Pasa Altas 93
C) Filtro Notch 94
6.1.4. Amplificador Variable 96
6.1.5. Atenuador Variable 98
6.1.6. Circuito MAV 100
6.1.7. Microcontrolador y servomotores 102
6.2. Parte Mecánica 105
6.3. Parte Electromecánica 109
6.4. Análisis de Costos 118
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES PARA TRABAJO FUTURO 122
ESPECIFICACIONES DE LA PRÓTESIS 125
BIBLIOGRAFÍA 126
APÉNDICES 130
APÉNDICE A: Estadísticas de Riesgos y Accidentes en el Trabajo 131
APÉNDICE B: Cálculos 137
APÉNDICE C: Hojas de Especificaciones de los Dispositivos Utilizados 151
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1. A) Mano de hierro de Alt-Ruppin; B) Mano de Götz Von Berlichingen;
C) Le petitLoraine. 12
Figura 1.2. Brazo del Conde Beafort. 12
Figura 1.3. Prótesis UTA-MIT. 13
Figura 1.4. Prótesis endoesquelética. 14
Figura 1.5. Prótesis TUAT/Karlsruhe. 14
Figura 1.6. Prótesis de mano artificial ultraligera. 15
Figura 1.7. Prótesis DRL-HAND II. 15
Figura 1.8. Mano de Canterbury. 16
Figura 1.9. Prótesis desarrollada por Pylatiuk y colaboradores. 16
Figura 1.10. Prótesis de mano con sistema NAIST hidráulico. 16
Figura 1.11. Prótesis de Mano I-Limb. 17
Figura 1.12. Prótesis de mano I-Limb Ultra. 17
Figura 1.13. Prótesis de Wang y colaboradores. 18
Figura 1.14. Prótesis Michelangelo de Otto Bock. 19
Figura 1.15. Prótesis Myo Hand. 19
Figura 1.16. UTAH ARM de Motion Control. 19
Figura 1.17. Prótesis desarrollada por Probionics empresa mexicana. 20
Figura 1.18. Prótesis diseñada por la UNAM. 21
Figura 1.19. Prototipo creado por alumno de UPIITA. 21
Figura 2.1. Vista transversal de un nervio. 24
Figura 2.2. Estructura del músculo esquelético. 25
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Figura 2.4. Relajación y contracción del músculo. 27
Figura 2.5. Bomba de Na-K. 27
Figura 2.6. Esquema de la unidad motora. 28
Figura 2.7. Estructura ósea de la mano humana. 29
Figura 2.8. Musculatura de la mano humana. 30
Figura 2.9. Musculatura extensora de manos y dedos. 31
Figura 2.10. Sistema ligamentario de los dedos: A) Vista palmar y B) Vista lateral (A1, A2, A3, A4 y A5 son ligamentos anulares y C1, C2 y C3 son ligamentos cruciformes). 31
Figura 2.11. Tendones flexores y extensores de los dedos A) Dedo en extensión B) dedo en flexión. 32
Figura 3.1. Graficas del potencial de acción. (A) Esquemático. (B) Real. 35
Figura 3.2. Generación del potencial de acción de la unidad motora. 35
Figura 3.3. Partes de la SME. 36
Figura 3.4. Espectro en frecuencia de la señal Mioeléctrica. 37
Figura 3.5. Posicionamiento de los electrodos A) Longitudinal B) Transversal. 40
Figura 4.1. Diagrama a bloques. 45
Figura 4.2. Electrodos de superficie marca Bio Protech. 46
Figura 5.1. Posicionamiento de los electrodos en el paciente. 60
Figura 5.2. Diagrama esquemático simulado del amplificador de instrumentación AD620. 61
Figura 5.3. Diagrama esquemático simulado del filtro pasa bajas de tercer orden. 62
Figura 5.4. Diagrama esquemático simulado del filtro pasa altas de tercer orden. 63
Figura 5.5. Diagrama a bloques del filtro Notch. 64
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Figura 5.7. Diagrama esquemático simulado del amplificador variable. 65
Figura 5.8. Diagrama esquemático simulado del atenuador variable. 66
Figura 5.9. Circuito MAV simulado. 67
Figura 5.10. Diagrama de conexiones del microcontrolador Freescale S08SH8CPJ. 68 Figura 5.11. Figura 5.11. Diagrama eléctrico general. 73
Figura 5.12. Baterías LiPO utilizadas, A) 11.1 V a 1.5 A. B) 7.4 V a 2.2 A. 75
Figura 5.13. Conexión típica del regulador LM338. 76
Figura 5.14. Diseño del circuito impreso de la placa de acondicionamiento (cara superior). 77
Figura 5.15. Diseño del circuito impreso de la placa de acondicionamiento (cara inferior). 78
Figura 5.16. Diseño final del circuito impreso de la placa de acondicionamiento a ambas caras. 78
Figura 5.17. Diseño del circuito impreso de la placa de control (cara superior). 79
Figura 5.18. Diseño del circuito impreso de la placa de control (cara inferior). 79
Figura 5.19. Diseño final del circuito impreso de la placa de control a ambas caras. 80
Figura 5.20. Diseño del circuito impreso de las placa de alimentación; A) Placa de Reguladores LM338; B) Placa de conexión para las baterías. 80
Figura 5.21. Modelado del dedo anular y la palma en Solid Works. 81
Figura 5.22. Modelado de la mano en Solid Works. 81
Figura 5.23. Fabricación de los dedos de la mano. 82
Figura 5.24. Dedos colocados sobre la estructura de la mano. 83
Figura 5.25. Colocación de los motores dentro de la mano. 84
Figura 6.1. Cables de conexión entre los electrodos y la placa de
acondicionamiento. 87
Figura 6.2. Colocación de los electrodos de biopotencial en el paciente;
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Figura 6.3. Señales obtenidas en la simulación del Circuito Integrado AD620;
A) Señal de entrada; B) Señal de salida (Amplificada con Ganancia = 1000 V/V). 90 Figura 6.4 Simulación de la respuesta en frecuencia del amplificador
de instrumentación. 91
Figura 6.5. Simulación de la respuesta en frecuencia del filtro pasa bajas de
tercer orden. 92
Figura 6.6. Respuesta experimental en frecuencia del filtro pasa bajas de
tercer orden. 92
Figura 6.7. Simulación de la respuesta en frecuencia del filtro pasa altas de
tercer orden. 93
Figura 6.8. Respuesta experimental en frecuencia del filtro pasa altas de
tercer orden. 94
Figura 6.9. Simulación de la respuesta en frecuencia del filtro Notch. 95 Figura 6.10. Respuesta en frecuencia experimental del filtro Notch. 95 Figura 6.11. Simulación de la respuesta en frecuencia de la etapa de filtrado. 96 Figura 6.12. Simulación de la respuesta del Amplificador Variable; A) Señal de
entrada; B) Señal de salida (Amplificada con Ganancia = 6 V/V). 97 Figura 6.13. Señal mioeléctrica obtenida a través del osciloscopio. 97 Figura 6.14. Simulación de la respuesta del Atenuador Variable; A) Señal de
entrada; B) Señal de salida (Atenuada en un factor de 6). 98 Figura 6.15. Ventana de configuración del osciloscopio virtual. 99
Figura 6.16. Señal mioeléctrica. A) Obtenida en el Osciloscopio de laboratorio
B) Obtenida en el Osciloscopio virtual por medio de MATLAB. 100
Figura 6.17. Señales observadas en el osciloscopio del circuito MAV; A) Voltaje
de la señal de entrada; B) Voltaje MAV de la señal de entrada. 101
Figura 6.18. Simulación de la respuesta en voltaje del circuito MAV. 102
Figura 6.19. Diagrama de microcontrolador para prueba de servomotores. 102
Figura 6.20. Ciclo útil para control de servomotores (PWM); A) servomotor Hitec;
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Figura 6.21. Simulación de los tendones de la mano mediante hilo cáñamo. 106
Figura 6.22. Sistema de contracción basado en el principio de la polea, simulando los tendones de la mano humana. 107 Figura 6.23. Sistema de contracción para el dedo pulgar. 108 Figura 6.24. Sistema de giro de la muñeca. 108 Figura 6.25. Servomotores colocados en la prótesis. 109 Figura 6.26. Primera etapa de placas en montaje DIP; de izquierda a derecha, Amplificador AD620, Filtro Pasa Bajas, Filtro Pasa Altas y Filtro Notch. 109 Figura 6.27. Placa de amplificación y filtrado (Placa de acondicionamiento) cara superior e inferior, con montaje SMD. 110 Figura 6.28. Señales mioeléctricas obtenidas realizando una y dos contracciones; A) Bíceps y B) Trapecio. 110 Figura 6.29. Placa de Control, cara de componentes (izquierda) y cara de soldadura (derecha). 111 Figura 6.30. Placas de la prótesis de mano; Acondicionamiento, Control y Alimentación. 112 Figura 6.31. Prototipo de prótesis de mano humana. 113 Figura 6.32. Base para la colocación de la mano. 114 Figura 6.33. Prótesis de mano sujeta a la base. 115 Figura 6.34. Prototipo de prótesis de mano humana terminado. 115 Figura 6.35. Modelado del encaje protésico mediante el software SolidWorks 2013. 116 Figura 6.36. Colocación del servomotor al encaje protésico con soportes de madera y abrazadera metálica. 117
Figura 6.37. Prótesis de mano ensamblada con el encaje protésico. 117
Figura B.1. Circuito de configuración del amplificador de instrumentación. 138
Figura B.2. Circuito amplificador sumador con entrada VA pasiva. 139
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Figura B.4. Respuesta de los filtros de Bessel, Chebyshev y Butterworth. 141
Figura B.5. Filtro pasa bajas de tercer orden. 142
Figura B.6. Filtro pasa altas de tercer orden. 144
Figura B.7. Filtro Notch. 146
Figura B.8. Amplificador no inversor. 148
Figura B.9. Circuito MAV. A) Rectificador de onda completa de precisión; B) Circuito amplificador sumador. 149
Figura D.1. Modelado del dedo meñique sin acotar (izquierda) y acotado (derecha). 163 Figura D.2. Modelado del dedo anular sin acotar (izquierda) y acotado (derecha). 163
Figura D.3. Modelado del dedo medio sin acotar (izquierda) y acotado (derecha). 164
Figura D.4. Modelado del dedo índice sin acotar (izquierda) y acotado (derecha). 164
Figura D.5. Modelado del dedo pulgar sin acotar (izquierda) y acotado (derecha). 164
Figura D.6. Modelado de la palma sin acotar (izquierda) y acotado (derecha). 165
Figura D.7. Modelado del prototipo final sin acotar (izquierda) y acotado (derecha). 165 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 4.1. Características de algunos electrodos de biopotencial. 47
Tabla 4.2. Características de algunos amplificadores de instrumentación. 49
Tabla 4.3. Características de algunos amplificadores de propósito general. 50
Tabla 4.4. Características de algunos Microcontroladores 54
Tabla 4.5. Características de algunos motores. 55
Tabla 4.6. Características de algunas baterías. 56
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OBJETIVO GENERAL:
Diseñar y construir una prótesis de la mano humana utilizando potenciales mioeléctricos del cuerpo humano.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Diseñar y construir un sistema de electromiografía de superficie para el movimiento articular de la prótesis de mano humana de una persona adulta.
Utilizar elementos de circuito de bajo consumo y en montaje de superficie para disminuir tamaño y peso de la prótesis.
Implementar servomotores para el control de 3 grados de libertad de la prótesis.
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JUSTIFICACIÓN
Los accidentes en la vida cotidiana son muy comunes y ningún ser humano está exento de ellos, sin embargo la gravedad de estos incidentes puede magnificarse al grado de perder un miembro. Es por ello que, el ser humano por años ha buscado la manera de satisfacer la necesidad que genera el miembro faltante, integrando diversos dispositivos como suelen ser prótesis. Una desventaja es que en México hay pocas empresas dedicadas al diseño y producción de prótesis, lo que lleva a que la mayoría de los productos existentes en el mercado sea de importación y su costo sea muy elevado, por lo que la adquisición de estos productos se restringe a ciertos niveles socioeconómicos [23].
Se tiene conocimiento de estudios que realizó el Instituto Mexicano del Seguro Social (IMSS) en 2010 acerca de los riesgos y accidentes en el trabajo, el estudio fue realizado con personas de edades entre 15 y 75 años, se mostró que la región anatómica más propensa a sufrir traumatismos es la comprendida por la muñeca y la mano, la incidencia fue mayor en el sexo masculino con edades entre los 20 y 44 años [24] (ver apéndice A).
Después de la pérdida de un miembro, el paciente queda dañado psicológicamente, lo que lo lleva a querer satisfacer las necesidades tanto motrices como estéticas, es por ello que se presenta un prototipo de una prótesis de miembro superior para minimizar en el paciente la sensación de pérdida pues cuenta con características que la hacen lo más parecida a la mano humana en movilidad (tres grados de libertad) y estética; además de emplear materiales ligeros, resistentes y de bajo costo que se refleja en un prototipo final rentable.
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INTRODUCCIÓN
Una prótesis se diseña con el objetivo de suplir algún miembro o parte del cuerpo debido a una pérdida por accidente o bien de nacimiento (mal congénito), la característica de la prótesis es que debe cumplir las funciones del miembro remplazado aunque existen casos donde el fin de la prótesis es estrictamente estético. Una prótesis mioeléctrica hace referencia a un sistema que se encarga de recibir señales o impulsos provenientes de los músculos (biopotenciales) y procesarlos para su posterior utilización en el control de dicha prótesis; es decir, se combinan la biología, la electrónica y la mecánica.
En la mayor parte de casos donde se implemente una prótesis, el paciente requerirá un previo entrenamiento, con el fin de llegar a acostumbrarse al nuevo sistema adaptado a su cuerpo; se puede recurrir a una prótesis por diversas causas, una de ellas es la estética, ya que después de la pérdida de un miembro, el paciente puede experimentar un shock emocional, pues su cuerpo ha sufrido una alteración y lo que se busca por medio de la prótesis es que dicho paciente se vea de nuevo con un cuerpo “completo”;
ahora bien, existen casos en los que no solo se involucra la estética, sino que se requiere que la prótesis tenga movilidad, lo cual deriva en una funcionalidad para el paciente, ayudándolo a volver paulatinamente a sus actividades cotidianas.
En la actualidad el uso de prótesis se ha convertido en una alternativa viable para pacientes amputados, sin embargo se tiene registro que desde tiempos remotos se ha buscado sustituir algún miembro faltante que imposibilite al paciente, es decir cuando sus capacidades físicas se ven alteradas en alguna forma.
C
APÍTULO
I
.
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CAPÍTULO I. ANTECEDENTES
Gracias a la evolución tecnológica podemos contar con sistemas que a pesar de ser complejos en su fabricación, facilitan las labores cotidianas y ofrecen una alternativa de comodidad o funcionalidad a sus usuarios, tal es el caso de las prótesis, es por ello que se realizó un estudio de su desarrollo hasta llegar a las prótesis inteligentes que cuentan con un sistema avanzado de reconocimiento de modelos gestuales del paciente.
1.1. ESTADO DEL ARTE DE LAS PRÓTESIS DE MANO
El hombre siempre ha tenido la necesidad de utilizar herramientas o elementos, para sustituir alguna carencia propia del cuerpo o bien brindar comodidad a la realización de las tareas diarias, es por ello la constante evolución del medio en el que se desarrolla, por ejemplo, nuestros antepasados vivían de la caza, la pesca y la recolección principalmente, para lo cual elaboraban utensilios modificando piedras tallándolas entre sí, pero no solo fabricaban herramientas para la caza, la primer prótesis de miembro superior fue encontrada en una momia Egipcia que data del año 2000 a.C., se trataba de una especie de arnés adaptado al brazo de la momia; aproximadamente entre el 218 y 201 a.C. durante la Segunda Guerra Púnica, el General Romano Marcus Sergius perdió en batalla su mano derecha y mandó construir una de metal [1].
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llamó “Le petitLoraine” (figura 1.1.C) que contaba con una palanca para las funciones de extensión y flexión a nivel de codo [1].
A) B) C)
Figura 1.1. A) Mano de hierro de Alt-Ruppin; B) Mano de Götz Von Berlichingen; C) Le petitLoraine.
Posteriormente, en el siglo XIX, el alemán Peter Beil inició con las prótesis autopropulsadas desarrollando una prótesis que permite el cierre de los dedos con movimientos del tronco y hombro contra lateral; durante el mismo siglo, el holandés Van Petersen logra el movimiento de flexo-extensión a nivel de codo con el sistema de autopropulsión, también el Conde Beafort realiza un brazo con movimiento de flexión al presionar una palanca contra el tórax y el hombro contra lateral utilizado como fuente de energía para movimientos de mano, donde dicha mano constaba de un gancho dividido sagitalmente (figura 1.2).
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El médico francés Gripoulleau fabricó accesorios para adaptarse como unidades terminales, como ganchos, anillos e instrumentos metálicos que se adaptaban a diversas actividades según se requiriera. Aproximadamente en el año de 1912
Dorrance en Estados Unidos desarrolló el “Hook”, esta unidad terminal permitía abrir
activamente con movimientos de la cintura escapular y, cerrar pasivamente por la acción de un tirante de goma; mientras que en Alemania se desarrolló el gancho Fischer que tenía una mayor potencia y diversidad en sujeción y prensión de objetos.
Fue igualmente en Alemania donde se atribuye el origen de las prótesis activadas por los músculos del muñón, Sauerbruch se dedicó a investigar la manera de interconectar el mecanismo de la prótesis con la musculatura flexora del muñón, haciendo pasar varillas de marfil a través de los túneles cutáneos y activándose la prótesis por la contracción muscular. Las prótesis neumáticas y eléctricas se comenzaron a desarrollar
hasta 1946 conocidas como “de propulsión asistida” debido a que el mecanismo es
activado mediante agentes externos al cuerpo del paciente.
Las prótesis mioeléctricas tienen como lugar de inicio, Rusia en el año de 1960, las primeras se fabricaron para pacientes amputados de antebrazo y lograban una fuerza prensora de 2 kg. Años más tarde, fueron Jacobson, Wood y Biggers quienes en 1984, desarrollaron la mano robótica UTA-MIT (figura 1.3) que contaba con un sistema de cilindros neumáticos para los movimientos del pulgar y los tres dedos restantes que poseía, contando con cuatro grados de libertad para cada dedo [2].
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Doshi, Yeh y LeBlanc, en el año de 1998 desarrollaron una prótesis endoesquelética de mano (figura 1.4) que era mucho más ligera debido al arnés y de bajo costo, cuyo mecanismo poseía cierre voluntario y podía variar la fuerza en el agarre de algún objeto. Paralelamente Butterfab, Hirzinger y Knoch trabajaron en el diseño de una mano robótica con múltiples articulaciones y cuatro dedos llamada DLR-Hand. Este diseño cuenta con sensores de torque, fuerza y posición en cada dedo. La Universidad de Karlsruhe en Alemania con el departamento tecnológico de la Universidad de Tokio, Japón, desarrollaron un prototipo de prótesis de mano llamada TUAT/Karlsruhe (figura 1.5) con cuatro dedos y cuatro grados de libertad para cada uno.
En el año 2001, Dechev, Cleghorn y Naumann, presentaron una prótesis de mano infantil (para niños entre los 7 y 11 años de edad) su agarre era pasivo y los dedos tenían movilidad independiente. No obstante la popularidad de las manos neumáticas crecía, por lo que Schulz, Pylatiuk y Brethauer desarrollaron una mano artificial ultraligera de actuadores neumáticos (figura 1.6) con 13 grados de libertad.
En 2001 el prototipo DRL-HAND sufrió modificaciones que fueron presentadas por Butterfab, Hirzinger, Grebenstein y Liu, poseía una estructura de esqueleto abierto por lo que se disponía de mayor facilidad para acceder a los circuitos electrónicos de la mano. La palma poseía actuadores poderosos, sensores de fuerza y torque para cada dedo, dicho prototipo se llamó DRL-HAND II (figura 1.7).
Página | 15 Figura 1.6. Prótesis de mano artificial ultraligera.
Figura 1.7. Prótesis DRL-HAND II.
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(figura 1.10). Para 2006 Sánchez, Loaiza y Cortés realizaron un prototipo de pinza rotadora para aplicación en prótesis mioeléctrica, capaz de realizar las funciones de pronación y supinación.
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Desde el 2007, una mano biónica totalmente funcional, controlada con la mente y músculos del paciente se encuentra en el mercado. La prótesis es capaz de mover el pulgar y los dedos de la misma forma que una mano humana [25].
El miembro, llamado I-Limb (figura 1.11), su diseño y fabricación se atribuyen a TouchBionics, ubicada en Livingston, Escocia, aunque el desarrollo fue idea original del investigador Escocés David Gow.
La mano ha sido probada por diversas personas como soldados estadounidenses que perdieron miembros en la guerra de Irak, "La mano funciona con un sistema de control intuitivo que recoge las señales eléctricas que generan los músculos del miembro residual del paciente" dijo a la BBC Stuart Mead, de TouchBionics.
Las señales mioeléctricas son captadas mediante electrodos de superficie, por lo que no requiere de métodos invasivos para la ejecución de los movimientos.
Figura 1.8. Mano de Canterbury. Figura1.9. Prótesis desarrollada por Pylatiuk y colaboradores.
Página | 17 Figura 1.11. Prótesis de Mano I-Limb.
Posteriormente, se presentó por la misma empresa, la versión mejorada llamada I-Limb Ultra (figura 1.12), al igual que la anterior, consta de un pulgar y muñeca que giran manualmente, dedos articulados activados de manera individual que ejercen una fuerza proporcional a la señal de entrada. Las innovaciones en este dispositivo son, una fuerza de agarre variable dígito a dígito, selección de gestos que permite al paciente crear gestos personalizados, posee un modo de entrenamiento, modo automático de la mano y evaluación de señales. Cuenta con cambio de posición automático a su posición natural después de un tiempo de inactividad, ahorro de energía que permite extender el uso diario de la batería en un 25%, utilizando batería de iones de Litio; así como indicador audible de batería baja, 10 tonos diferentes de piel para ambos sexos o bien un servicio de pintura a mano para que la piel de silicona que la recubre coincida casi exactamente con el tono de la piel del paciente [26].
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En 2009, Casamichin y Muñoz presentaron el modelado, diseño y control de un brazo robot antropométrico, con el objetivo de comprobar movimientos básicos humanos, integrando diversas herramientas computacionales; este mecanismo posee 15 grados de libertad. En el mismo año, Alfaro, Joliat y Vicario desarrollaron una prótesis mioeléctrica de miembro superior la cual estaba enfocada a una malformación congénita del brazo izquierdo por debajo de la articulación del codo y estaba limitada a la función de prensado [27]. En 2010 Wang y colaboradores presentaron un prototipo de mano convexa para mejorar la estabilidad al sujetar los objetos con sensores de posición en cada dedo; para el mismo año Sonoda y Godler presentan avances de la investigación para desarrollar una mano robótica de bajo costo, ligera y con la mayor semejanza a la mano humana, donde las articulaciones de los dedos son alimentadas por cadenas de transmisión con un tamaño aproximado al de la mano de un adulto (figura 1.13).
La prótesis Michelangelo de Otto Bock, imita con gran similitud a la mano humana en aspecto físico y motriz (figura 1.14) ésta cuenta con un esqueleto de acero y aluminio que sustituye a huesos y articulaciones y de un relleno blando en el lugar de los músculos y tendones de una mano real; la adquisición de señales se lleva a cabo con dos electrodos de superficie en el músculo del paciente, aunque el sistema se diseñó para permitir conectar hasta seis electrodos, lo que tendría como resultado una mayor precisión en los movimientos y mayor número de ellos.
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La prótesis Myo Hand tiene una fuerza de agarre de hasta 10.2 k, su principal característica es la rapidez con la que puede sujetar los objetos (figura 1.15). Otra prótesis mioeléctrica y totalmente articulada es la llamada BeBionic que fue presentada oficialmente en el Congreso Mundial de la Sociedad de Prótesis y Ortesis. Contiene microprocesadores que monitorean constantemente la posición de los dedos, de manera que las secuencias de agarre sean siempre acertadas.
Figura 1.14. Prótesis Michelangelo de Otto Bock Figura 1.15. Prótesis Myo Hand
La compañía Motion Control, fabricante de prótesis mioeléctricas en Estados Unidos, presentó un brazo para amputación superior al codo denominado UTAH ARM, se puede mover a velocidad variable y utiliza 2 microprocesadores para que exista un control simultáneo del codo y la mano (figura 1.16) [3].
Figura 1.16. UTAH ARM de Motion Control
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población nacional de pacientes amputados, debido a la demanda, en 1959 se fundó el Instituto Mexicano de Rehabilitación que ofrecía la carrera de Formación de Técnicos
en el Diseño, Fabricación y Adaptación de Prótesis y Aparatos ortopédicos,
posteriormente se fundó la Asociación de Protesistas y Ortesistas de la República Mexicana A.C. que desde 1997 tomó el nombre de Sociedad Mexicana de Ortesistas y Protesistas A.C. [19].
La primer institución escolar que incluyó la carrera de Ingeniería Biónica, fue el Instituto Politécnico Nacional (IPN) en 1996, al fundar la Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas (UPIITA), permitiendo así el desarrollo de tecnología e investigación a nivel nacional; prueba de ello es la empresa mexicana Probionics cuyo director general de nombre Luis Armando Bravo Castillo es egresado de la UPIITA y ha logrado desarrollar un brazo biónico con la ejecución de los movimientos de pronación, supinación y agarre en forma de pinza (figura 1.17).
Figura 1.17. Prótesis desarrollada por Probionics empresa mexicana
Página | 21 Figura 1.18. Prótesis diseñada por la UNAM
Posteriormente en 2010 un alumno del IPN egresado de la ya citada UPIITA, desarrolló un prototipo de prótesis para pacientes amputados por arriba del codo, el cual cuenta con cinco motores y actuadores para obtener un alto nivel de naturalidad en la ejecución de sus movimientos y es capaz de cargar hasta 10 k distribuidos en toda la prótesis, el creador de nombre Juan Ramón Mendoza Molina detalló: “Utiliza dos
servomotores y tres motorreductores, mediante los cuales ejecuta tres
desplazamientos: flexión-extensión del codo y pronación-supinación de la muñeca, así
como apertura y cierre escalonado de los dedos para efectuar presión y sujetar objetos” (figura 1.19).
Figura 1.19. Prototipo creado por alumno de UPIITA
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C
APÍTULO
II
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A
NATOMÍA Y
F
ISIOLOGÍA
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CAPÍTULO II. ANATOMÍA Y FISIOLOGÍA DE LA MANO
HUMANA.
Para poder entrar en materia y adentrarse en el diseño y construcción de la prótesis electromiográfica (EMG) de miembro superior, es necesario conocer los fundamentos anatómicos y fisiológicos del tejido muscular así como la estructura y composición de la mano.
El conocimiento del funcionamiento del cuerpo humano permite una mejor interacción entre un organismo biológico y un sistema electrónico que permita la mejora de dicho organismo, de acuerdo a esto, se presenta en este capítulo la anatomía y fisiología de la mano humana para su análisis y posterior aplicación en la creación de una prótesis de mano.
Primeramente el sistema muscular se compone a su vez de los siguientes músculos: [5]
Músculo esquelético
Músculo cardíaco
Músculo liso
2.1. DESCRIPCIÓN DEL MÚSCULO ESQUELÉTICO
El músculo esquelético o llamado también voluntario, es el que se encuentra sujeto a los huesos. En su mayoría los músculos esqueléticos son estructuras independientes que cruzan una o más articulaciones y que gracias a su capacidad de contraerse bajo el control nervioso, aportan la fuerza para la sujeción y tienen como resultado movimientos articulares [5]. El músculo esquelético comprende aproximadamente el 40% de la masa corporal [6] y se trata de un músculo estriado.
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nerviosas de las neuronas y al conjunto de axones se le conoce como haces (figura 2.1). Los nervios contienen en su mayoría dos tipos de fibras:
Aferentes o sensoriales, transportan el mensaje o la señal desde los músculos hasta el encéfalo y la médula espinal, proporcionando el estado de contracción en la que se encuentra dicho músculo.
Eferentes o motoras, estas por el contrario, transportan impulsos desde el encéfalo hasta algún músculo o glándula.
Figura 2.1. Vista transversal de un nervio.
El músculo esquelético o estriado se encuentra rodeado por un denso tejido conectivo llamado epimisio o aponeurosis muscular, dentro de este tejido y como primera subdivisión del músculo se encuentran los fascículos musculares (también cubiertos por otro tejido llamado perimisio), los cuales se forman de numerosas células alargadas de forma cilíndrica llamadas fibras musculares (figura 2.2).
Página | 25 Figura 2.2.Estructura del músculo esquelético.
El sarcolema es una membrana delgada que rodea a la fibra muscular, es semipermeable y se compone de una membrana plasmática interna y un revestimiento externo de polisacárido (compuesto de fibrillas de proteína llamadas colágeno) que contiene canales en los cuales ciertos iones pueden moverse entre fluidos intracelulares y extracelulares.
Dentro de la fibra, en el sarcoplasma (citoplasma de la célula muscular), se encuentran estructuras más estrechas ordenadas longitudinalmente llamadas miofibrillas, las cuales tienen aproximadamente 1 µm de diámetro. En las miofibrillas se observan bandas claras y oscuras alternas. Las bandas claras se denominan bandas I (isotrópicas) y las bandas oscuras de denominan bandas A (anisotropicas) [11].
Página | 26 Figura 2.3. Organización del músculo esquelético
Cada miofibrilla se compone de filamentos contráctiles gruesos y finos que participan en la contracción muscular. Los filamentos gruesos están constituidos por miosina, mientras que los filamentos delgados están constituidos por actina, tropomiosina y troponina. El arreglo de filamentos gruesos forma las bandas A, mientras que el arreglo de filamentos delgados forma las bandas I. Las líneas H en el centro de las bandas A, son las regiones donde los filamentos de actina no se sobreponen a los filamentos de miosina, cuando el músculo esta relajado [12]; pero cuando es estimulado el músculo, los filamentos se deslizan unos sobre otros, reduciendo la longitud de las miofibrillas y de esta forma se realiza la contracción muscular (figura 2.4) [6].
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de las astas posteriores de la médula, hasta llegar a la inervación que tiene con las fibras musculares, a dicha unión se le llama unión mioneural o neuromuscular [6].
Figura 2.4. Relajación y contracción del músculo.
El movimiento del impulso nervioso en la neurona se basa principalmente en el movimiento de cationes de sodio y potasio a través de la membrana celular de la neurona, dichos impulsos viajan a velocidades ente 1 y 120 m/s (Figura 2.5) [4].
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El axón de la neurona motora se va ramificando en la fibra muscular, a esta porción mínima que se contrae en respuesta de una excitación se le llama Unidad Motora (unidad funcional del músculo estriado, figura 2.6). Sin embargo cuando se genera una contracción en un músculo, actúan muchas unidades motoras al mismo tiempo, y mientras más unidades actúan más fuerte será la contracción.
Figura 2.6. Esquema de la unidad motora
2.1.1. GENERALIDADES DE LA CONTRACCIÓN MUSCULAR
En una contracción muscular se tienen etapas sucesivas que le permiten al paciente la realización de un esfuerzo; dichas etapas se citan a continuación:
El potencial de acción generado, viaja por un nervio hasta llegar al final de este, donde se encuentran las fibras musculares. Existe en cada extremo del nervio un neurotransmisor llamado acetilcolina, que permite la apertura de canales para el ingreso en la fibra muscular de grandes cantidades de iones de sodio, formándose un potencial de acción en la fibra muscular, que se desplaza por la membrana de la fibra muscular.
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La función de los iones de calcio es la atracción entre los filamentos de actina y miosina, deslizándose juntos y provocando una contracción.
Fracciones de segundo después, se bombean iones de calcio hacia el retículo endoplásmico donde permanecen almacenados hasta que un nuevo potencial de acción llega y la contracción muscular cesa.
Este proceso de despolarización de la membrana de la fibra muscular es registrado gracias a los electrodos superficiales utilizados, una vez en el amplificador de instrumentación, se detecta una diferencia de potencial producto de la despolarización y el desplazamiento entre filamentos.
2. 2. ESTRUCTURA ÓSEA DE LA MANO HUMANA
Los huesos junto a los cartílagos constituyen el armazón rígido que da forma y sostiene el cuerpo; la mano por su parte posee 27 huesos, los cuales se dividen en 8 huesos carpianos, dispuestos en dos hileras de 4 conectados entre sí por articulaciones, y a su vez se unen con los huesos del antebrazo, esto se logra por medio de la articulación radiocarpiana; por otro lado, la palma de la mano tiene 5 huesos metacarpianos y 14 falanges (figura 2.7). Para generar sus movimientos, se utilizan cerca de 40 músculos, e incluso interviene el antebrazo, con lo que se tienen aproximadamente 20 grados de libertad en la mano [4].
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Los tendones son tejidos conjuntivos que unen los músculos esqueléticos con los huesos, dentro de ellos las fibras de sharpey atraviesan el periostio para incrustarse en los huesos; los tendones de manos y pies poseen vainas autolubricantes que evitan el roce con los huesos (Figura 2.8) [4].
Figura 2.8. Musculatura de la mano humana.
2. 3. SISTEMA EXTENSOR DE LOS DEDOS
El sistema extensor es también conocido como Mecanismo extensor de Hood y está compuesto principalmente por tendones intrínsecos y extrínsecos a través de los cuales se controla el movimiento de las articulaciones interfalangeas proximales y metacarpofalángicas (figura 2.9) [8].
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cincha o manto interóseo, banda sagital, ligamento triangular y ligamento retinacular de Landsmeer (figura 2.10) [9].
Figura 2.9. Musculatura extensora de manos y dedos
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La estructura del tendón extensor largo extrínseco está formada por bandas sagitales que circunscriben la cabeza de los metacarpianos, bandas proximales que se insertan en la base de la falange proximal, bandas centrales que se insertan en la base de la falange intermedia, bandas laterales que se insertan en la base de la falange distal, músculos interóseos y lumbricales (Véase figura 2.11) [9].
C
APÍTULO
III
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CAPÍTULO III. ELECTROMIOGRAFÍA
La electromiografía es el estudio de los potenciales eléctricos generados por los músculos durante el proceso de movimiento. Se trata de una de las técnicas más utilizadas para adquirir información acerca del estado de una unidad motora y la utilización de esta va desde un estudio electromiográfico para detectar alguna anomalía en el músculo del paciente, hasta una implementación de prótesis o sistema mecánico a partir de la actividad registrada.
3.1. ORIGEN DE LA SEÑAL ELECTROMIOGRÁFICA (EMG)
Como cualquier otra célula, la fibra muscular presenta una diferencia de potencial eléctrico entre su interior y su exterior. Los potenciales de acción (figura 3.1) viajan a lo largo del axón como una onda a lo largo de una cuerda.
Esta corriente se propaga ya que a lo largo de la membrana del axón existen canales iónicos, que se pueden abrir y/o cerrar permitiendo el paso de iones eléctricamente cargados (figura 3.2). Alguno de estos canales permite el paso de iones de sodio (Na+), mientras que otros permiten el paso de iones de potasio (K+).
Cuando los canales se abren, los iones de Na+ y K+ pasan creando gradientes químicos y eléctricos opuestos, en el interior y exterior de la célula, en respuesta a la despolarización eléctrica de la membrana [14]. Cuando la célula está en reposo el potencial en la membrana es aproximadamente de -80 a -90 mV, pero cuando la célula se excita, el potencial llega a ser de aproximadamente de 50 a 70 mV y se da el nombre de potencial terminal [11].
Página | 35 Figura 3.1. Grafica del potencial de acción.
Figura 3.2. Generación del potencial de acción de la unidad motora.
3.2 REGISTRO DE LA SEÑAL MIOELÉCTRICA (SME)
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electrodos hacen una transferencia iónica del tejido vivo del cuerpo hacia un dispositivo electrónico, el cual se encarga de procesarla para posteriormente obtener información útil de la medición.
Entre las señales biológicas más estudiadas y registradas se encuentran las Electrocardiográficas (ECG), Electroencefalográficas (EEG) y las Electromiográficas (EMG), por citar algunas. Para el registro de estas señales se suelen utilizar principalmente dos tipos de electrodos, los no invasivos (de superficie) y los invasivos (de alambre y aguja); los electrodos de superficie son colocados en la epidermis del paciente y son capaces de tomar registros poblacionales de la actividad bioeléctrica mientras que los electrodos de alambre y aguja son insertados en el tejido para tomar directamente la diferencia de potencial existente entre la membrana celular y la piel.
La señal mioeléctrica es la manifestación eléctrica de la activación neuromuscular asociada con la contracción del musculo [18]. La SME sin filtrar ni procesar registrada sobre la piel se conoce como señal cruda, en la figura 3.3 se muestran las partes principales de la SME.
Figura 3.3 Partes de la SME
Página | 37 Figura 3.4 Espectro en frecuencia de la señal Mioeléctrica
Cuando la señal se registra de manera percutánea se obtienen valores de amplitud que van de 0.1 a 6 mV y en cuanto a frecuencia varía desde un nivel de CD hasta 10 kHz [6].
La estabilidad y fiabilidad de la forma de onda (amplitud y frecuencia) de la SME registrada depende de factores intrínsecos y extrínsecos. Los intrínsecos se refieren a las características anatómicas y fisiológicas del músculo de interés y los factores extrínsecos se refieren a las características de la configuración de los electrodos y preparación del registro. Dentro de estas características, se tienen las siguientes [6]:
Características anatómicas y fisiológicas del músculo:
Diámetro de la fibra muscular
Página | 38 Riego sanguíneo en el tejido muscular
Tejido entre la fibra muscular y el sitio de registro
Características de la configuración del electrodo
Tipo de material de construcción
Tamaño y forma de la superficie de detección del electrodo (invasivos, no invasivos)
Distancia entre electrodos (monopolar, bipolar, multipolar)
Características de la preparación de registro
Acoplamiento de la interface electrodo-piel o electrodo-fibra muscular. Colocación y orientación de los electrodos con respecto a las fibras
musculares
3.2.1. ELECTRODOS DE SUPERFICIE
El tipo de registro que se realiza en este trabajo es con electrodos de superficie, cuya función es convertir corrientes iónicas (únicas presentes en los tejidos vivos) en corrientes de electrones (las únicas que pueden circular por los conductores metálicos) [16].
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los electrodos superficiales flotantes, de características parecidas a los anteriores pero de mayor estabilidad frente a los movimientos.
La amplitud registrada de una unidad motora (UM) depende mucho del tipo de electrodo empleado, así como del músculo considerado, por ello es importante realizar una correcta elección del electrodo de superficie utilizado, al igual que su colocación para conseguir una transmisión libre del ruido artefacto (ruido artefacto es la interferencia provocada por el movimiento de los electrodos con respecto a la piel del paciente detectándose un espectro entre 0 y 20 Hz que afectan a la detección de la señal). Una de las condiciones deseables del electrodo es que no sea polarizado, esto significa que el potencial en el electrodo no debe de variar considerablemente cuando la corriente pase a través de él.
3.2.2. POSICIÓN DE LOS ELECTRODOS DE SUPERFICIE
Debido a la existencia de discrepancias en cuanto a la localización de los electrodos, se creó una iniciativa europea para tratar de estandarizar la localización, el tamaño y la forma, por lo que en 1996 se creó el SENIAM (Surface Electromiography for Noninvasive Assessment of Muscles), para el que la medida de electrodo estándar es de 10 mm de diámetro, también se especificó que la distancia inter-electrodo es definida como la distancia del centro al área conductiva de estos; la forma del electrodo está definida como el área conductora que entra en contacto con la piel y en cuanto al material utilizado para los electrodos, se trata de la combinación anteriormente citada Plata/Cloruro de Plata, se fabrican normalmente por electrólisis, tomando dos discos de plata para sumergirlos en una solución salina, posteriormente el polo positivo de una fuente de DC es conectada al disco a ser clorado de plata y el polo negativo es conectado al otro disco.
La ubicación es de suma importancia debido a que el registro correcto depende en gran manera de éstos, según el SENIAM [20] se pueden colocar sobre la piel de manera longitudinal (figura 3.5 A) o transversal (figura 3.5 B).
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que para el caso de posicionamiento transversal se ubica el electrodo igualmente en la zona media del músculo, sin embargo, de manera perpendicular al eje longitudinal del músculo estudiado.
Figura 3.5. Posicionamiento de los electrodos A) Longitudinal B) Transversal.
3.2.3. ACONDICIONAMIENTO DE LA SME
Debido a las amplitudes tan pequeñas de la SME, se utilizan preamplificadores diferenciales para lograr un aumento significativo y reducir interferencias como las de la red eléctrica, se debe considerar que la impedancia de entrada del amplificador debe ser varios órdenes de magnitud mayor que las impedancias de los electrodos para evitar una atenuación o distorsión de la señal [17].
Es por ello que en los diseños se consideran amplificadores operacionales con entradas tipo FET (transistor de efecto de campo) que por lo regular cuentan con un índice común de rechazo de 90 dB e impedancia de entrada de 1012 ohm (Ω). El ruido artefacto no sólo se debe al movimiento de los electrodos contra la piel sino a la flexión de los cables de conexión durante el movimiento, por lo que se debe realizar una disminución de la impedancia entre el electrodo y la piel.
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APÍTULO
IV
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CAPÍTULO IV. DISEÑO DEL PROTOTIPO
En el diseño de una prótesis se deben tomar en cuenta el aspecto funcional (eléctrico y mecánico), estético y económico, ya que se trata de un elemento que acompaña al paciente en su día a día, por lo que es de suma importancia que se sienta cómodo y le sea útil; por lo consiguiente, la recuperación psicológica del paciente debido al traumatismo que ocasiona la pérdida de un miembro, es más rápida si se le puede
ofrecer un “sustituto” del miembro en cuestión; de ahí que se pretenda obtener un diseño en cuanto a funcionalidad y estética, lo más semejante a la mano humana.
4.1. REQUISITOS DE DISEÑO
Se ha hecho mención de la importancia de cubrir la necesidad de un miembro faltante en un paciente, gran parte de su recuperación (posterior al traumatismo sufrido al perder el miembro) se debe a la movilidad que aporte la prótesis; para ello, es necesario considerar el número de grados de libertad con el que cuenta la prótesis, sin dejar de lado el peso de la misma, ya que cuanto más ligera sea, el paciente requiere menos fuerza para manipularla y así evita un cansancio debido al peso extra que lleva consigo.
De acuerdo al nivel de amputación se pueden encontrar distintos tipos de prótesis, para amputaciones a nivel pulgar o de los demás dígitos, de mano completa, por debajo y por arriba del codo; la mano humana tiene 7 movimientos (abducción, aducción, flexión, extensión, pronación, supinación y oposición) y 6 configuraciones de agarre propuestas por Schlesinger en 1919, quien las clasificó como agarre cilíndrico (Cylindical Grasp), de punta (Tip), de gancho (Hook or Snap), de palma (Palmar), esférico (Spherical Grasp) y de lado (Lateral) [28].
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bien conocer las diversas características y ventajas de los materiales con los que se fabrican.
Al hablar de prótesis, se habla de una gama amplia de materiales para su elaboración; en el mercado se cuenta con prótesis de poliuretano, titanio, madera, aluminio, silicona, polietileno, polipropileno, neopreno, entre otros materiales livianos y resistentes que permiten ser moldeados y adaptados a las necesidades del paciente; se consideran biomateriales también para el socket que requiere el paciente, esto con el fin de no causar molestias como alergias o roces en la piel con el dispositivo que sea colocado.
Las características exigidas por el cuerpo humano para una articulación artificial hacen que las propiedades requeridas en los materiales utilizados en las prótesis sean muy restrictivas. Por esta razón, se requieren materiales biocompatibles; es decir, materiales que produzcan un grado mínimo de rechazo en el cuerpo humano. Los fluidos corporales son altamente corrosivos, y las aleaciones metálicas deben ser resistentes a la corrosión [29].
Otro aspecto que se debe considerar son las propiedades mecánicas, las cuales son de suma importancia en la selección de materiales para prótesis, debido a que el sistema músculo-esquelético, junto con el movimiento, promueve fuerzas considerables para las prótesis.
Debido a que las superficies de la articulación están en contacto, y tienen un movimiento relativo entre ellas, las prótesis están sujetas a desgaste. Una de las consecuencias del desgaste en las superficies de los implantes es la generación de partículas de desecho. La acumulación de estas partículas en los tejidos circundantes de la articulación puede causar inflamación y dolor [29].
4.2. DIAGRAMA A BLOQUES
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En la etapa de registro, se lleva a cabo la adquisición de la señal mioeléctrica del paciente, esto se hace por medio de electrodos de biopotencial, los cuales se disponen a lo largo del músculo para detectar las contracciones que realice el paciente.
La etapa de acondicionamiento consta de varios procesos que permiten amplificar, reducir el ruido, y adecuar la señal para su posterior manipulación; se incluye una etapa de visualización en PC, se utiliza opcionalmente para mostrar la señal mioeléctrica amplificada y filtrada, en caso de que se requiera observar su comportamiento antes de su procesamiento en las etapas siguientes.
En la etapa digital la señal mioeléctrica es introducida en el microcontrolador, con el objeto de controlar los movimientos de la prótesis que se ejecutan de acuerdo al nivel de contracción del paciente, es decir, a la fuerza que éste proporcione; también se incluye en ésta etapa el testeo de carga de la batería con indicador visual.
En la etapa mecánica intervienen los servomecanismos, (los cuales se mueven de acuerdo a la señal proporcionada por el microcontrolador) que realizan las funciones de giro de la muñeca y prensa, para los cuales se dispone de hilos que sujetos a cada uno de los dedos se tensan o relajan de acuerdo al giro del servomotor.
La etapa de energía consta de una fuente de alimentación que suministra el voltaje requerido a cada uno de los circuitos involucrados en las etapas anteriores (acondicionamiento, etapa digital y mecánica). Se trata de baterías recargables para comodidad del paciente, ya que son mucho más convenientes que las pilas desechables, pues el costo de mantenimiento de la prótesis aumentaría por el hecho de adquirir nuevas pilas una vez que se encuentren descargadas, mientras que con la opción elegida, el paciente puede recargar las baterías mientras la prótesis esté inutilizada, (por ejemplo en las noches) y así asegurar que durante sus actividades en el día, ésta le proporcione la funcionalidad debida.
Página | 45 Figura 4.1. Diagrama a bloques.
ETAPA DIGITAL
ETAPA DE ACONDICIONAMIENTO
FUENTE DE ALIMENTACIÓN DETECTOR VISUAL DE BATERÍA ETAPA MECÁNICA SERVOMECANISMO ETAPA DE CONTROL
MICROCONTROLADOR FREESCALE
ETAPA DE FILTRADO
FILTROS PASA BANDA Y RECHAZA BANDA
ETAPA DE ADECUACION
CONVERTIDOR CA-CD (CIRCUITO MAV) ETAPA DE POST-AMPLIFICACIÓN
AMPLIFICADOR (VARIABLE) ETAPA DE VISUALIZACIÓN EN PC
ATENUADOR (VARIABLE)
ETAPA DE AMPLIFICACIÓN
AMPLIFICADOR (VARIABLE) ETAPA DE PRE-AMPLIFICACIÓN
AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN ETAPA DE REGISTRO
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4.3. ELEMENTOS DE DISEÑO
4.3.1. ELECTRODOS DE BIOPOTENCIAL
En la etapa de registro, los electrodos de biopotencial, como su nombre lo indica, permiten realizar una medición de la diferencia de potencial del músculo del paciente cuando se realiza una contracción, se utilizaron electrodos de superficie para evitar que la etapa de registro fuera de tipo invasiva, como en el caso del uso de electrodos de aguja. Se requirieron cinco electrodos en total, uno de ellos es llamado electrodo de referencia, situado sobre el codo del paciente, cuya función es tener un punto de comparación para realizar la medición de la diferencia de potencial, como un punto de tierra o GND (Ground) en una medición electrónica; se eligió el codo debido a que es una zona que se encuentra en reposo por no poseer tejido muscular denso, mientras el músculo que está sometido a mediciones se contrae (bíceps y trapecio); los cuatro restantes se dividen en dos pares, cada par situado sobre el bíceps y sobre el trapecio del paciente para el registro de la actividad.
Se utilizaron electrodos desechables de plata – cloruro de plata (Ag/AgCl) para monitoreo pediátrico de 32 x 38 mm de la marca Bio Protech, (ver figura 4.2) se eligió el diseño pediátrico debido a que su forma oval permite colocar más cerca un electrodo de otro, a manera de que exista una distancia máxima de 2 cm entre el contacto central de los electrodos, recomendado por el SENIAM [20], debido a que el espaciamiento entre electrodos determina el volumen de registro o recepción del tejido, resultando los espaciamientos más pequeños en registros más selectivos [31].
Figura 4.2. Electrodos de superficie marca Bio Protech. 38 mm
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La plata (Ag) es un excelente conductor eléctrico, aunque tiene como inconveniente su fácil oxidación, por lo que la cloración de este elemento (AgCl) da lugar al electrodo de plata-cloruro de plata (Ag/AgCl), que permite una baja impedancia de polarización, además de un bajo y estable potencial de contacto, lo cual hace que este tipo de electrodo sea utilizado con mucha frecuencia en el registro de señales bioeléctricas en la superficie corporal [22] (ver apéndice C).
La determinación del tipo de electrodo a utilizar se debió al análisis previo de algunos electrodos comerciales y cuyas características se aprecian en la tabla 4.1, donde se observó el costo de los diversos electrodos de Ag/AgCl, eligiendo como mejor opción el de marca Bio Protech de tipo pediátrico; aunado al costo, se observa que el tamaño es menor, lo cual permite que los electrodos que se colocan en pares, tengan una separación entre sus centros metálicos de aproximadamente 1 cm.
Tabla 4.1. Características de algunos electrodos de biopotencial.
Marca
MEDITRACE 200 SKINTACT Bio Protech Bio Protech
Tipo Adulto Universal Adulto Pediátrico
Tamaño 38 x 41 mm 32 x 41 mm 45 x 43 mm 32 x 38 mm
Elemento
Sensible Ag/AgCl Ag/AgCl Ag/AgCl Ag/AgCl
Material para
Adhesión Hidrogel Aqua - Wet Hidrogel Hidrogel
Costo $310.00 / 100
piezas $75.00 / 30 piezas $100.00 / 50 piezas $100.00 / 50 piezas
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4.3.2. AMPLIFICADORES OPERACIONALES
A) AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN
Para esta etapa se utilizó un amplificador de Instrumentación, debido a que en general poseen una entrada diferencial, que permite amplificar solamente la componente de AC resultante de ambas entradas y así eliminar el ruido presente en ambas señales, además de presentar alta impedancia a la entrada la cual permite el Acoplamiento del Amplificador de Instrumentación con los electrodos usados en la adquisición de la señal. Se implementó la etapa de pre amplificación debido a la amplitud pequeña de la señal mioeléctrica; se requiere que la señal entre en un rango de amplitudes significativas para que se pueda manipular mediante circuitos integrados en etapas posteriores; en esta etapa se utilizó el amplificador de instrumentación AD620 (ver apéndice C).
El integrado posee alta impedancia de entrada, alto rechazo en modo común y bajo consumo de corriente, además de trabajar sin ningún problema en las frecuencias requeridas para esta aplicación, para determinar la utilización del amplificador de instrumentación adecuado, se realizó una comparativa entre diversos modelos con características similares, tomando en cuenta las aplicaciones para las cuáles fueron diseñados, en este caso, se consideraron para instrumentación médica (ver tabla 4.2).
Al compararse diversos amplificadores de instrumentación, se observó que el amplificador más adecuado para ésta aplicación es el ya citado AD620, debido a su bajo costo, baja corriente de polarización y su razón de rechazo en modo común, con lo que se pudo concluir de acuerdo a la tabla 4.1 que, si bien la corriente máxima de consumo no es la menor entre los elementos comparados, se tienen las ventajas antes mencionadas que lo hacen ideal para seleccionarlo y seguir con la línea del proyecto en cuanto a mantener un bajo costo y no generar peso excesivo en la circuitería de la prótesis.
