PROYECTO DE TRABAJO DE GRADO “PARAMETRIZACIÓN GEOMÉTRICA DEL DISEÑO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL CONSIDERANDO LAS MEDIDAS ANTROPOMÉTRICAS DEL PACIENTE” ALEJANDRO GARCÍA RODRÍGUEZ

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PROYECTO DE TRABAJO DE GRADO

“PARAMETRIZACIÓN GEOMÉTRICA DEL DISEÑO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL

CONSIDERANDO LAS MEDIDAS ANTROPOMÉTRICAS DEL PACIENTE”

ALEJANDRO GARCÍA RODRÍGUEZ

DIRECTOR

MARCO ANTONIO VELASCO PEÑA CODIRECTOR

JULIO GREGORIO BLANCO BELTRAN

UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

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PROYECTO DE TRABAJO DE GRADO

“PARAMETRIZACIÓN GEOMÉTRICA DEL DISEÑO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL

CONSIDERANDO LAS MEDIDAS ANTROPOMÉTRICAS DEL PACIENTE”

ALEJANDRO GARCÍA RODRÍGUEZ

PROYECTO

PROYECTO DE TRABAJO DE GRADO EN LA MODALIDAD DE SOLUCIÓN DE UN PROBLEMA DE INGENIERÍA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO

DIRECTOR

MARCO ANTONIO VELASCO PEÑA CODIRECTOR

JULIO GREGORIO BLANCO BELTRAN

UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

DIVISIÓN DE INGENIERÍAS BOGOTÁ

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NOTA ACLARATORIA

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AGRADECIMIENTOS

El Autor agradece en primer lugar al Ingeniero Marco Antonio Velasco por sus valiosas enseñanzas, su paciencia, dedicación, tiempo empleado para la realización del presente proyecto y por la confianza que depositó como una persona idónea, profesional y ética. Al SENA por poner a disposición sus instalaciones, grupo humano y equipos, en cabeza del Ing. Julio Gregorio Blanco Beltrán que estuvo siempre dispuesto a brindar de la mejor manera las accesorias necesarias en el campo de prótesis.

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CONTENIDO

1 SELECCIÓN DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL ...5

1.1 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL TALUX ...5

1.1.1 Componentes de la prótesis ...6

1.1.2 Procesos de manufactura para la elaboración de piezas...7

1.1.3 Desempeño mecánico ...7

1.2 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL VARI FLEX ...8

1.2.1 Componentes de la prótesis ...8

1.2.2 Procesos de manufactura para la elaboración de piezas...9

1.2.3 Desempeño mecánico ... 10

1.2.4 Modelo de prótesis transtibial Vari Flex Modular ... 10

1.2.5 Componentes de la prótesis ... 10

1.2.6 Procesos de manufactura para la elaboración de piezas... 11

1.3 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL FLEX FOOT CHEETAH ... 12

1.4 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL-LP VARI FLEX ... 14

1.5 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL FLEX FOOT ASSURE ... 16

1.6 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL FLEX SYMES ... 18

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1.8 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL DYNAMIC PLUS... 22

1.9 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL MULTI AXIAL... 23

1.10 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL PATENTE US4822363 ... 25

1.13 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL PATENTE 2012/0191222 ... 30

1.14 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL-ICRC ... 32

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1.16 COMPARACIÓN DE MODELOS DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL ... 37

1.16.1 Comparación de modelos por el método QFD ... 38

1.16.2 Modelo CAD de la prótesis seleccionada ... 40

1.17 CONCLUSIONES DE LA SELECCIÓN DE PRÓTESIS. ... 41

RELACIÓN DE LAS MEDIDAS ANTROPOMÉTRICAS DE LA PERSONA AFECTADA CON LAS MEDIDAS DE LA PRÓTESIS TRANSTIBIAL SELECCIONADA... 43

1.18 MEDIDAS ANTROPOMÉTRICAS DEL MIEMBRO SANO Y RESIDUAL. ... 58

1.18.1 Alturas antropométricas ... 61

1.19 MEDIDAS GEOMÉTRICAS DE LA PRÓTESIS. ... 63

1.20 RELACIÓN DE LAS MEDIDAS PRÓTESIS-PACIENTE ... 64

1.20.1 Relación de Alturas ... 64

1.20.2 Relación de longitudes y anchuras ... 65

1.21 CONCLUSIONES DE LA RELACIÓN DE MEDIDAS ANTROPOMÉTRICAS CON LAS MEDIDAS DE LA PRÓTESIS ... 66

2 ELABORACIÓN DEL MODELO CAD DEL ENSAMBLE PARAMETRIZADO DE LOS COMPONENTES DE LA PRÓTESIS TRANSTIBIAL MODULAR COMPOSITE PROSTHETIC FOOT AND LEG ... 66

2.1 DEFINICIÓN Y SIMPLIFICACIONES DE PIEZAS ESTÁNDAR Y PIEZAS PARAMETRIZABLES ... 67

2.1.1 Elementos estándar ... 67

2.1.2 Elementos parametrizables ... 69

2.2 PARAMETRIZACIÓN DE LAS PIEZAS EN EL PROGRAMA CAD ... 72

2.2.1 Parametrización de la pieza Cuerpo de la Prótesis ... 72

2.2.2 Parametrización de la pieza Placa superior ... 78

2.2.3 Parametrización de la pieza “Planta de la prótesis” ... 84

2.2.4 Parametrización de la pieza “Planta de la prótesis” ... 89

2.2.5 Parametrización de la pieza “Suela Delantera” ... 94

2.3 FACTOR DE DIMENSIONAMIENTO ... 99

2.4 PARAMETRIZACIÓN DE LA PRÓTESIS PRIMER PACIENTE ... 106

2.4.1 Toma de medidas antropométricas del primer paciente ... 106

2.4.2 Definición de factores de escalamiento ... 111

2.4.3 Piezas escaladas geométricamente ... 112

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1: diferentes prótesis con su número de componentes, procesos de manufactura y materiales ... 34 Tabla 1. Tabla de proceso de la pieza cuerpo de prótesis en acero 316. Fuente: Autor ... ¡Error! Marcador no definido.

Tabla 2. Tabla de proceso de la pieza planta de la prótesis en acero 316. Fuente: Autor ... ¡Error! Marcador no definido.

Tabla 3. Tabla de proceso de la pieza placa superior en acero 316. Fuente: Autor¡Error! Marcador no definido.

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LISTA DE FIGURAS

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Figura 23. Modelo de prótesis transtibial Foot prosthesis with modular foot plate. Fuente: Patente

US 6527811, 2003 [17]. ... 27

Figura 24. Vista la lateral y superior de la prótesis transtibial Foot prosthesis with modular foot plate. Fuente: Patente US 6527811, 2003 [17]. ... 28

Figura 25. Modelo de prótesis transtibial Prosthestic foot. Fuente: Patente US 6514293, 2003 [18]. ... 29

Figura 26. Piezas de la prótesis transtibial Prosthestic Foot. Fuente: Patente US 6514293, 2003 [18]. ... 29

Figura 27. Modelo de prótesis transtibial Modular Prosthestic Foot. Fuente: Patente 2012/0191222, 2012 [19]. ... 30

Figura 28. Modelo de prótesis transtibial. Fuente: Patente 2012/0191222, 2012 [19]. ... 31

Figura 29. Modelo de prótesis transtibial ICRC. Fuente: ICRC, 2006 [20]. ... 32

Figura 30. Piezas de la prótesis transtibial de la ICRC. Fuente: ICRC),2006 [20] FUENTE: ICRC(Comité Internacional de la Cruz Roja ), 2006 [20]. ... 33

Figura 31. QFD con la cual se elaborara la selección del modelo de prótesis transtibial. Fuente: Autor. ... 38

Figura 32. requerimientos vs parametros de Ingeniria, relaciones. Fuente: Autor. ... 39

Figura 33. Ponderación y puntuaciones de los diferentes tipos de prótesis. Fuente: Autor. ... 40

Figura 34. Prótesis transtibial seleccionada en modelo CAD. Fuente: Autor. ... 41

Figura 35.Superficies de contacto en la pieza cuerpo de la protesis. Fuente: Autor. ... ¡Error! Marcador no definido. Figura 36. Fuerzas aplicadas en la pieza cuerpo de protesis. Fuente: Autor.¡Error! Marcador no definido. Figura 37. Malla en la pieza cuerpo de protesis. Fuente: Autor. ... ¡Error! Marcador no definido. Figura 38. Analisis de esfuerzos en la pieza cuerpo de protesis. Fuente: Autor.¡Error! Marcador no definido. Figura 39. Analisis de desplazamiento en la pieza cuerpo de protesis. Fuente: Autor. ... ¡Error! Marcador no definido. Figura 40. Medidas antropométricas de los hombres entre 20 a 39 años de edad. a) Medidas en la posición de pie b) Medidas antropométricas en posición sentados. Fuente: Adaptado R. Avila, L. P. Leon, and E. G. Muños 2007 [24]. ... 59

Figura 41.Medidas antropométricas del pie tomadas de los hombres trabajadores colombianos entre los rangos de edad 20 a 39 años. Fuente: Adaptado R. Avila, L. P. Leon, and E. G. Muños 2007 [24]. ... 60

Figura 42. Medidas antropométricas de la altura de los miembros inferiores que se tomarán para relacionarlas con las medidas geométricas de la prótesis. Fuente: Autor. ... 62

Figura 43. Medidas antropométricas de longitud y anchura que se tendrán en cuenta en el modelo parametrizable. Fuente: Autor. ... 62

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Figura 46.Relación de longitudes entre las medidas antropométricas y las medidas geométricas de

la prótesis transtibial seleccionada. Fuente: Autor. ... 65

Figura 47. Relación de anchos entre las medidas antropométricas y las medidas geométricas de la prótesis transtibial seleccionada. Fuente: Autor. ... 66

Figura 48. Definición de los elementos estándar y los elementos parametrizables de la prótesis. Fuente: Autor. ... 67

Figura 49. Unión atornillada superior. Fuente: Autor. ... 68

Figura 50. Unión atornillada inferior. Fuente: Autor. ... 68

Figura 51. Cuña para prótesis. Fuente: Autor. ... 69

Figura 52. Pieza “Cuerpo de Prótesis”. Fuente: Autor ... 70

Figura 53.Pieza “Placa Superior”. Fuente: Autor. ... 70

Figura 54. Pieza “Planta de la Prótesis”. Fuente: Autor. ... 71

Figura 55. Pieza “Planta de la Prótesis”. Fuente: Autor. ... 71

Figura 56.Pieza “suela delantera”. Fuente: Autor. ... 72

Figura 57. Ejes de referencia de la pieza Cuerpo de la prótesis. Fuente: Autor. ... 73

Figura 58. Creacion de una tabla de Excel para parametrizar la pieza Cuerpo de Protesis en el programa CAD. Fuente: Autor. ... 74

Figura 59. Creacion de la funcion escala en el programa la pieza Cuerpo de protesis en el programa CAD. Fuente: Autor. ... 75

Figura 60. Enlazamiento de funcion escalar para la pieza cuerpo de protesis en el programa CAD. Fuente:Autor.... 76

Figura 61.Configuracion de la funcion escalamiento en la pieza Cuerpo de Protesis. Fuente: Autor. ... 77

Figura 62.Tabla de Excel con los diferentes modelos parameticos de la pieza Cuerpo de la Protesis. Fuente: Autor. ... 78

Figura 63. Ejes de referencia de la pieza Placa superior. Fuente: Autor. ... 79

Figura 64. Creacion de una tabla de Excel para parametrizar la pieza Placa Superior en el programa CAD. Fuente: Autor. ... 80

Figura 65. Creacion de la funcion escala en el programa la pieza Placa superior en el programa CAD. Fuente: Autor. ... 81

Figura 66. Enlazamiento de funcion escalar para la pieza Placa Superior en el programa CAD. Fuente: Autor. ... 82

Figura 67.Configuracion de la funcion escalamiento en la pieza Placa Superior. Fuente:Autor... 83

Figura 68. Tabla de Excel con los diferentes modelos parameticos de la pieza Placa Superior. Fuente: Autor. ... 84

Figura 69. Ejes de referencia de la pieza Planta de la Prótesis. Fuente: Autor. ... 85

Figura 70. Creacion de una tabla de Excel para parametrizar la pieza Planta de la protesis el programa CAD. Fuente: Autor. ... 85

Figura 71. Creacion de la funcion escala en el programa la pieza Planta de la Protesis en el programa CAD. Fuente: Autor. ... 86

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Figura 73. Configuracion de la funcion escalamiento en la pieza Planta de la Protesis. Fuente: Autor.

... 88

Figura 74. Tabla de Excel con los diferentes modelos parameticos de la pieza Planta de la Protesis. Fuente: Autor. ... 89

Figura 75. Ejes de referencia de la pieza Suela trasera. Fuente: Autor. ... 90

Figura 76. Creacion de una tabla de Excel para parametrizar la pieza Suela trasera el programa CAD. Fuente: Autor. ... 90

Figura 77. Creacion de la funcion escala en el programa la pieza Suela trasera en el programa CAD. Fuente: Autor. ... 91

Figura 78. Enlazamiento de funcion escalar para la pieza Suela trasera en el programa CAD. Fuente: Autor. ... 92

Figura 79. Configuracion de la funcion escalamiento en la pieza Suela trasera. Fuente: Autor. ... 93

Figura 80. Tabla de Excel con los diferentes modelos parameticos de la pieza Suela trasera. Fuente: Autor. ... 94

Figura 81. Ejes de referencia de la pieza Suela Delantera. Fuente: Autor. ... 94

Figura 82. Creacion de una tabla de Excel para parametrizar la pieza Suela Delantera en el programa CAD. Fuente: Autor. ... 95

Figura 83. Creacion de la funcion escala en el programa la pieza Suela Delantra en el programa CAD. Fuente: Autor. ... 96

Figura 84. Enlazamiento de funcion escalar para la pieza Suela Delantera en el programa CAD. Fuente: Autor. ... 97

Figura 85. Configuracion de la funcion escalamiento en la pieza Suela Delantera. Fuente:Autor. . 98

Figura 86. Tabla de Excel con los diferentes modelos parameticos de la pieza Suela Delantera. Fuente: Autor. ... 99

Figura 87. Medidas de altura y longitud de la prótesis original. Fuente: Autor. ... 100

Figura 88.Medidas geométricas de la pieza Cuerpo de Prótesis. Fuente: Autor. ... 102

Figura 89. Medidas geométricas de la pieza Planta de la prótesis. Fuente: Autor. ... 103

Figura 90. Medidas geométricas de la pieza Placa superior. Fuente: Autor. ... 104

Figura 91. Medidas geométricas de la pieza Planta Trasera. Fuente: Autor. ... 105

Figura 92. Medidas geométricas de la pieza Planta Delantera. Fuente: Autor. ... 106

Figura 93. Fotografías del muñón en diferentes posiciones del primer paciente. Fuente: Autor. 107 Figura 94. Medición antropométrica de la altura de la rodilla. Fuente Autor. ... 108

Figura 95. Medición antropométrica del miembro residual. Fuente Autor. ... 109

Figura 96.Medición antropométrica del ancho del talón. Fuente: Autor. ... 109

Figura 97. Medición antropométrica de la longitud de la planta. Fuente: Autor. ... 110

Figura 98. Pieza Cuerpo Prótesis parametrizada con las medidas antropométricas del paciente 1. Fuente: Autor. ... 112

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Figura 101. Pieza Suela Trasera parametrizada con las medidas antropométricas del paciente 1.

Fuente: Autor. ... 115

Figura 102. Pieza Suela Delantera parametrizada con las medidas antropométricas del paciente 1. Fuente: Autor. ... 116

Figura 103. Comparación de medidas geométricas entre la prótesis original y la prótesis diseñada para el paciente 2. Fuente: Autor. ... 117

Figura 104. Fotografías del muñón en diferentes posiciones. Fuente: Autor. ... 117

Figura 105.Medición antropométrica de la altura de la rodilla. Fuente Autor. ... 118

Figura 106. Medición antropométrica del miembro residual. Fuente Autor. ... 119

Figura 107. Medición antropométrica del ancho del talón. Fuente: Autor. ... 119

Figura 108. Medición antropométrica de la longitud de la planta. Fuente: Autor. ... 120

Figura 109. Pieza Cuerpo Prótesis parametrizada con las medidas antropométricas del paciente 2. Fuente: Autor. ... 122

Figura 110. Pieza Placa Superior parametrizada con las medidas antropométricas del paciente 2. Fuente: Autor. ... 123

Figura 111. Pieza Planta de la Prótesis parametrizada con las medidas antropométricas del paciente 2. Fuente: Autor. ... 124

Figura 112. Pieza Suela Trasera parametrizada con las medidas antropométricas del paciente 2. Fuente: Autor. ... 125

Figura 113. Pieza Suela Delantera parametrizada con las medidas antropométricas del paciente 2. Fuente: Autor. ... 126

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RESUMEN

La discapacidad es una condición que generalmente involucra el desplazamiento. Es común encontrar personas que perdieron una pierna por accidentes, enfermedades o por condición de nacimiento. Esta población está sujeta a buscar dispositivos que le permitan desplazarse, tales como, muletas, sillas de ruedas, prótesis entre otros.

En Colombia actualmente existe una gran cantidad de personas que no pueden obtener alguna clase de dispositivo según su condición. Las prótesis transtibiales son uno de los dispositivos más solicitados, el problema es su costo, estudio personalizado y tiempo de fabricación. Uno de los factores más críticos es el dimensionamiento de la prótesis, debido a que todas las lesiones son diferentes y, por lo tanto, también las medidas de las personas. Actualmente como solución a este problema se han creado bases de datos y diseños asistidos por computadora (CAD) que permiten agilizar este proceso por medio de la parametrización.

Teniendo en cuenta lo anterior, el presente estudio realizado para optar al título de Ingeniero Mecánico de la Universidad Santo Tomás pretendió la parametrización de un modelo de prótesis transtibial teniendo en cuenta las medidas antropométricas de la persona.

En la primera parte de este proyecto se presenta la descripción detallada y comparación de diferentes modelos de prótesis transtibial. En esta sección se utilizará el método QFD para determinar cuál es la prótesis más adecuada según los requerimientos en la elaboración de esta clase de dispositivos, por último, este modelo de virtualizara en un programa CAD. En la segunda sección se analizarán y relacionarán las medidas antropométricas humanas con las medidas geométricas de la prótesis seleccionada. Esta sección definirá las relaciones que darán a conocer las nuevas medidas geométricas de la prótesis. Por último, se encontrarán los diferentes factores de parametrización que permitirán modificar las cotas de la prótesis. Todo este proceso se realizará en un software CAD y permitirá cambiar las medidas de la prótesis ensamblada y sus componentes utilizando Excel.

Palabras clave

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ABSTRACT

Disability is a condition that usually involves displacement. It is common to find people who lost a leg due to accidents, illness or birth condition. This population is subject to search devices that allow it to move, such as crutches, wheelchairs, prosthetics among others. In Colombia there are currently many people who cannot obtain any kind of device according to their condition. Transtibial prosthesis are one of the most requested devices, the problem is its cost, custom study and manufacturing time. One of the most critical factors is the sizing of the prosthesis, because all the injuries are different and, therefore, also the measurements of the people. As a solution to this problem, databases and parametric CAD have been created to speed up design process through parameterization. Considering the above, the present study has been carried out to qualify for the title of Mechanical Engineer of the Universidad Santo Tomás, using the parameterization of a transtibial prosthesis model considering the anthropometric measurements of the person. In the first part of this project the detailed description and comparison of different models of transtibial prosthesis is presented. In this section, we will use the QFD method to determine which is the most suitable prosthesis according to the requirements of these devices. Then, the model will be virtualized in a CAD program. In the second section, human anthropometric measurements will be analyzed and related to the geometrical measurements of the selected prosthesis. This section will define the relationships that will make known the new geometrical measurements of the prosthesis. Finally, you will find the different parameterization factors that will allow modifying the dimensions of the prosthesis. All this process will be done in CAD software and will allow to change the measurements of the assembled prosthesis and its components using Excel.

Keywords

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INTRODUCCIÓN

La discapacidad forma parte de la condición humana, ya que todas las personas sufrirán algún nivel de esta lo largo de su vida [1]. La falta de un miembro limita física y socialmente al individuo. El carecer de una parte de su cuerpo, hace sentir a la persona incompleta y diferente a todas las demás [2]. La prótesis son dispositivos diseñados para que el individuo pueda romper la barrera de limitación, esto le permite una reintegración al ámbito social [3]. En Colombia se presentan 2.018.078 casos de toda clase de discapacidad, de los cuales 413.269 involucran el desplazamiento y movimiento de las extremidades [4]. De manera particular, se estima que el 80% de las amputaciones de pierna son consecuencias del conflicto armado. Por otro lado, en el año 2007 se registraron aproximadamente 63.000 casos de amputación de pierna, donde 34.000 son hombres [5].

Como solución a la problemática de pérdida de miembros, los dispositivos tecnológicos son una gran herramienta para personas que poseen este tipo de discapacidad. Estos varían según la parte afectada del individuo y tienen como objetivo ayudar a la persona a participar en actividades cotidianas [6]. Existen muchos tipos de dispositivos según la condición física del sujeto, entre ellos las prótesis transtibiales.

Las prótesis de pierna Transtibiales, buscan por medio del ensamble de componentes tener el mayor confort posible [7]. La mayoría de estos componentes son estándar (rodilla, pie) y se encuentran en catálogos [8]. Sin embargo, algunos componentes de las prótesis dependen exclusivamente del paciente y sus condiciones de salud [9]. En el país son 3 las principales instituciones que brindan ayudan a personas que tengan amputaciones de pierna. El Hospital Militar de Colombia en Bogotá, el cual presta sus servicios a la rama militar, el Centro Ortopédico San Juan Bautista de Bucaramanga y el Comité de Rehabilitación de Antioquia [5].Esto evidencia una dificultad al acceso de estos dispositivos. Por estas razones la demanda de prótesis es menor a 2000 casos por año, ya que el 40% de los amputados no tienen empleo. Entre los años 2005 y 2006 el preció promedió de prótesis nacional tiene es de 648$ dólares y una prótesis internacional 1110 $ dólares [5]. Para mejorar el diseño en su totalidad, se están creando bases de datos con la mayor información posible de los individuos [10]. Los datos se clasifican en 3 grupos, evaluación del paciente, evaluación de las extremidades residuales y medidas antropométricas [8], esto con el fin de poder parametrizar las medidas antropométricas del individuo y las diferentes variables de estudio, según su actividad física y social.

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OBJETIVOS GENERAL

• Parametrizar geométricamente el diseño de prótesis transtibial considerando las medidas antropométricas de la persona afectada.

ESPECÍFICOS

• Seleccionar el diseño prótesis transtibial considerando aspectos de manufacturabilidad y desempeño mecánico

• Relacionar las medidas antropométricas de la persona afectada con las medidas de la prótesis transtibial.

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1 SELECCIÓN DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL

Las prótesis son elementos diseñados para remplazar una parte faltante del cuerpo [11]. Existen dos grupos de prótesis, las prótesis activas, y las prótesis pasivas [12]. Las prótesis pasivas o también llamadas prótesis cosméticas, tienen como principal función abarcar más la parte estética que la funcional [5]. El inconveniente con este tipo de prótesis es la dificultad o imposibilidad de agarre. Las prótesis activas o también llamadas de fuerza propia, son dispositivos funcionales, que utilizan energía proporcionada por un sistema eléctrico y/o mecánico para que el paciente pueda hacer movimientos con mayor facilidad [12].

Para elegir el modelo de prótesis transtibial que se parametrizará, se deben comparar diferentes tipos de prótesis para tener una referencia en cuanto a que sistemas existen, que materiales se utilizan y que valor pueden tener. Para esto, se tomaron dos catálogos diferentes de empresas fabricantes de prótesis, cuatro patentes y tres tipos de prótesis elaboradas por universidades o fundaciones. En este capítulo se evaluarán los diferentes modelos de prótesis y se elegirá uno por medio de un estudio QFD. Con el modelo definido se elaborará un estudio FEM para analizar el comportamiento del componente en presencia de cargas. Es importante señalar que para poder elaborar este estudio se necesita identificar ciertos conceptos, el más importante la fuerza. Generalmente en el diseño de las prótesis se toma una carga estática y una de impacto. La estática es el peso de la persona en un estado de reposo, es decir el peso se distribuye equitativamente en las dos piernas. La fuerza de impacto es el factor clave en el diseño. Esta carga ocurre cuando el paciente va a apoyar la pierna. En este caso ocurre una carga de impacto que es mayor al peso de la persona. Esta carga generalmente esta entre los valores de 1500 y 1600 N [13] y será considerada en el análisis de esfuerzos que se muestra más adelante.

1.1 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL TALUX

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Figura 1. Modelo de Prótesis transtibial Talux. Fuente: OSSUR 2016 [14].

1.1.1 Componentes de la prótesis

La prótesis está compuesta por seis subensambles, los cuales tienen piezas particulares y elementos estándar (tornillos, arandelas, sistemas de sujeción). El subensamble del módulo del pie consta de tres diferentes placas de fibra de carbono en “j”, apoyadas en una goma que evita el contacto entre suelo y prótesis. El subensamble del kit de tubo de fibra de carbono de 30 mm cuenta con dos componentes; el tubo que estará conectado con la prótesis y el soporte que permitirá la conexión Prótesis-Socket. Además, cuenta con una pieza de refuerzo en interior en el tubo, que le permitirá una mayor rigidez.

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Figura 2. Modelo de Prótesis transtibial Talux. Fuente: OSSUR 2016 [14].

1.1.2 Procesos de manufactura para la elaboración de piezas

Para la elaboración de estas piezas, se necesitan varios procesos de manufactura, el acople del módulo del pie es uno de estos. En esta parte estarán las curvas naturales que darán la forma a la prótesis. Primero las láminas de fibra de carbono deben tener un proceso de moldeo, en el cual se les dará la forma de “J”. Luego se procederá a elaborar el perforado y posteriormente el roscado. Por último, se realizará un acabado superficial, el cual le dará a un acabado liso y brillante. Los tornillos, tuercas, y adaptadores son estándar y podrán ser adquiridos.

1.1.3 Desempeño mecánico

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cuando el sujeto deja de apoyar el pie, permitiendo un desplazamiento más fácil y cómodo. Este diseño de prótesis unido a la similitud con el pie humano permitirá que la caminata se realice en varios terrenos.

1.2 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL VARI FLEX

Este modelo está diseñado para el confort del usuario, ya que le permite desplazarse por todos los terrenos, sin importar el nivel de actividad que ejerce la persona (actividad física baja, media o alto). Este modelo permite al paciente sentirse más cómodo, además, de evitar la fatiga, sobreesfuerzos en el miembro residual y en su espalda. Su sistema mecánico le permite retornar mayor cantidad de energía, haciéndola más eficiente que otras prótesis. Este dispositivo pesa 700 gramos y resiste una carga hasta de 166 kg. Su tamaño de pie oscila entre diferentes tallas de zapato (22-42) donde la altura máxima de la prótesis es 171 mm. El usuario puede variar la altura del talón para mayor comodidad (10 o 15mm). Este modelo posee varios sistemas de acoplamiento hacia el socket [14].

Figura 3. Modelo de prótesis transtibial Vari Flex. Fuente: OSSUR 2016 [14].

Esta prótesis está compuesta por ocho subensambles, los cuales tienen piezas particulares y elementos estándar (tornillos, arandelas, sistemas de sujeción). El subensamble del módulo del pie consta de una placa de fibra de carbono en “J “que será el soporte principal de la prótesis. El talón está hecho por una lámina de fibra de carbono que se unirá a la placa del pie por medio de una unión atornillada. El subensamble del kit de tubo de fibra de carbono de 30 mm cuenta con 2 componentes: el tubo que estará conectado con la prótesis y el soporte que permitirá la conexión Prótesis-Socket. Este tiene una pieza de refuerzo en interior del tubo, que le permitirá una mayor rigidez en la conexión.

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del acople que unirá la prótesis con el tubo o el socket, este subensamble está compuesto por una carcasa, tornillos, arandelas y tuercas. Por último, el adaptador Quick Align, es un adaptador, que permite al usuario modificar la altura del talón de la prótesis, por medio de un botón de bloqueo-desbloqueo.

Figura 4. Plano Explosionado de los componentes de la prótesis transtibial Vari Flex. Fuente: OSSUR 2016 [14].

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Este es un diseño de prótesis dinámica, es decir, devuelve una parte de la energía que el usuario le transfiere a la hora de caminar, esto sucede gracias al material y su forma. Cuando el sujeto camina emite una compresión sobre la prótesis, está por sus propiedades mecánicas y por la ley de acción y reacción devolverá una parte de la energía cuando el sujeto deja de apoyar el pie, permitiendo un desplazamiento más fácil y cómodo. Este dispositivo, gracias a la similitud con el pie humano, permite que la caminata se desempeñe en varios terrenos. Adicionalmente el impacto producido por la prótesis sobre el usuario se reducirá sustancialmente, mejorando la relación prótesis-usuario.

1.2.4 Modelo de prótesis transtibial Vari Flex Modular

Este elemento transtibial tiene como principales características, su duración y alto coeficiente de acumulación y retorno de energía. Está diseñada para usuarios con alto y bajo grado de actividad física. El modelo de prótesis Vari Flex modular puede resistir un peso de 227 kg, además, se puede fabricar a cualquier tipo de medida, donde el peso de esta no variará mucho (855 g aproximadamente). Tiene tres diferentes categorías, donde las tallas de calzado van de 22 a 40 y su altura oscila entre los rangos de 182 mm y 394 mm, la altura del talón es 10 mm [14].

Figura 5. Modelo de prótesis transtibial Vari Flex Modular. Fuente: OSSUR 2016 [14].

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hasta la unión del socket con la prótesis. El talón está hecho por una placa de fibra de carbono que se unirá a la placa del módulo pie por medio de una unión atornillada.

El subensamble de pieza T en aluminio, permite la unión de la prótesis con el socket. Esta va fijada a la placa de fibra de carbono (el cuerpo principal de la prótesis), por medio de una unión atornillada. El kit de cuñas para la prótesis Vari Flex Modular permitirá controlar la elongación producida al caminar para evitar una deflexión demasiado grande de la prótesis. Para ello vienen diferentes medidas de cuñas. El adaptador de pirámide es un soporte cuya parte exterior está elaborada en un polímero. Su principal función es la fijación del acople que unirá la prótesis con el tubo o el socket. Este subensamble está compuesto por una carcasa, tornillos, arandelas y tuercas.

Figura 6. Plano Explosionado de los componentes de la prótesis transtibial Vari Flex Modular. Fuente: OSSUR 2016 [14].

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dependiendo las características de la pieza, en el cual le dará la forma de J. Una vez retirada la pieza se procederá a elaborar los agujeros roscados que unirán esta lámina en “J “de fibra de carbono, con la lámina del pie. Terminado el proceso de roscado se procederá a un acabado superficial para asegurar que la superficie quede completamente lisa y brillante. La planta del pie tiene un proceso similar, pero su molde será diferente debido a que las curvas naturales tienen una inclinación un poco menor. Los tornillos, tuercas, y adaptadores son estándar y podrán ser comprados.

1.2.6.1 Desempeño mecánico

Este es un diseño de prótesis dinámica, es decir, devuelve una parte de la energía que el usuario le transfiere a la hora de caminar esto sucede gracias a el material y su forma. Cuando el sujeto camina emite una compresión sobre la prótesis, está por sus propiedades mecánicas y por la ley de acción y reacción devolverá una parte de la energía cuando el sujeto deja de apoyar el pie, permitiendo un desplazamiento más fácil y cómodo. La particularidad de este diseño es que su estructura principal se basa en dos componentes que permitirán un fácil ensamble y un mayor número de ciclos, haciéndola más duradera.

1.3 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL FLEX FOOT CHEETAH

Este es un tipo de prótesis transtibial duradera con un alto coeficiente de acumulación y retorno de energía. Está diseñada para un nivel de impacto moderado, alto o extremo. Su aplicación más utilizada son los deportes, gracias a su alto retorno de energía y una suela especial, que permite un mejor agarre evitando que la persona se deslice cuando ejerce un movimiento acelerado. El modelo de prótesis Flex Foot Cheetah modular puede resistir un peso de 147 kg, además, se puede fabricar a cualquier tipo de medida. El peso de este modelo no variará mucho (846 g aproximadamente). Su tamaño de pie varía según el número de talla de zapato (entre 20 y 42). Su altura oscila entre los rangos de 348 mm y 521 mm. La altura mínima del encaje a la prótesis es de 32 mm [14].

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Esta prótesis está compuesta por cinco subensambles, los cuales tienen piezas particulares y elementos estándar (tornillos, arandelas, sistemas de sujeción). El subensamble del módulo del pie consta de una placa de fibra de carbono en “J “que se extiende desde el pie hasta el socket. El componente del talón consta de una placa de fibra de carbono, que se unirá al módulo del pie por medio de una unión atornillada. El kit de cuñas para la prótesis Flex Foot Cheetah permitirá que la elongación sea controlada para evitar una deflexión demasiado grande. Para ello vienen diferentes tamaños cuñas para comodidad del usuario. El kit de adaptación por laminación es un sistema de acople que consta de una pieza cuadrada que se anclará en la parte superior de la lámina del módulo del pie conectando el socket y la prótesis.

Figura 8. Vista lateral del modelo de prótesis transtibial Flex Foot Cheetah. Fuente: OSSUR 2016 [14].

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laminación dependiendo las características de la pieza, en el cual le dará la forma de J. Una vez retirada la pieza se procederá a realizar los agujeros roscados que unirán esta lámina en “J “de fibra de carbono con la lámina del pie. Terminado el proceso de roscado se procederá a un acabado superficial para asegurar que la superficie quede completamente lisa y brillante. La planta del pie tiene un proceso similar, pero su molde será diferente debido a que las curvas naturales de esta pieza tienen una inclinación un poco menor. Los tornillos, tuercas, y adaptadores son estándar y podrán ser adquiridos.

Este es un diseño de prótesis dinámica, es decir, devuelve una parte de la energía que el usuario le transfiere a la hora de caminar, esto sucede gracias al material y su forma. Cuando el sujeto camina genera una compresión sobre la prótesis, esta, por sus propiedades mecánicas y por la ley de acción y reacción devolverá una parte de la energía cuando el sujeto deja de apoyar el pie, permitiendo un desplazamiento más fácil y cómodo. La característica especial de este diseño de prótesis es que por medio de su suela tiene un mayor agarre. Esto y su alto retorno de energía la vuelven una prótesis excelente para actividades deportivas.

1.4 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL-LP VARI FLEX

Esta modelo está diseñada para aprovechar en su totalidad la planta del pie, permitiendo que el paciente se desplace más cómodamente. Este dispositivo está dirigido a personas con un nivel de actividad física alto, medio y bajo. El modelo LP Vari Flex está diseñada para pacientes que posean un miembro residual largo. Esta prótesis pesa 540 gramos y resiste un peso hasta de 166 Kg. Tiene tallas de zapato entre 22-42, la altura oscila entre los rangos de 73 Y 83mm y la altura del talón es 10 mm. Esta prótesis tiene varios sistemas de acoplamiento con el socket, sin embargo, como está diseñado para miembros residuales largos el acople va conectado directamente al socket [14].

Figura 9. Modelo de prótesis transtibial LP Vari Flex. Fuente: OSSUR 2016 [14].

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Esta prótesis está compuesta por ocho subensambles, los cuales tienen piezas particulares y elementos estándar (tornillos, arandelas, sistemas de sujeción). El subensamble del módulo del pie consta de una placa de fibra de carbono, que será la estructura principal de este modelo. El talón es elaborado por medio de una platina de fibra de carbono que se unirá al módulo del pie por medio de una unión atornillada. El kit de cuñas para la prótesis Vari Flex permitirá controlar la elongación producida al camina, para ello, vienen diferentes tamaños cuñas. El soporte pirámide macho es una pieza de aluminio que permitirá la unión prótesis – socket. Este subensamble está compuesto por tornillos arandelas y tuercas. Este dispositivo transtibial posee un kit de adaptación por laminación. Este sistema de acople por medio de una pieza cuadrada estará anclado en la parte superior del módulo del pie, la cual permitirá la unión socket-prótesis.

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Para la elaboración de estas piezas, se necesitan varios procesos de manufactura. Las láminas de fibra de carbono deben tener un proceso de moldeo por transferencia o de laminación dependiendo las características de la pieza, en el cual le dará la forma. Luego se procederá a elaborar el perforado y el roscado. Por último, se realizará un acabado superficial, el cual le dará a la superficie un acabado liso y brillante. La planta del pie tiene un proceso similar, pero su molde será diferente debido a que las curvas naturales que posee esta pieza tienen una inclinación un poco menor. Los tornillos, tuercas, y adaptadores son estándar y podrán ser adquiridos. El acople de adaptador por laminación no es estándar, por lo tanto, se elaborará por medio de la tecnología CNC debido a sus tolerancias y ajustes.

Este es un diseño de prótesis dinámica, es decir, devuelve una parte de la energía que el usuario le transfiere a la hora de caminar, esto sucede gracias a el material y su forma. Cuando el sujeto camina emite una compresión sobre la prótesis, está por sus propiedades mecánicas y por la ley de acción y reacción devolverá una parte de la energía cuando el sujeto deja de apoyar el pie, permitiendo un desplazamiento más fácil y cómodo. Este diseño de prótesis unido a la similitud con el pie humano y su énfasis en el aprovechamiento total de la planta permite que el usuario camine con más naturalidad gracias a su curvatura, produciendo menos esfuerzos y tensiones en la pierna.

1.5 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL FLEX FOOT ASSURE

Este modelo de prótesis transtibial está destinado para usuarios que tengan baja actividad física. Gracias a su diseño, permite que la caminata lenta sea mucho más cómoda para el miembro residual y para el miembro sano. El modelo Flex Foot, es ideal para personas diabéticas o que tengan enfermedades vasculares. Esta prótesis pesa 620 gramos y resiste un peso hasta de 166 Kg. Tiene tallas de zapato entre 22-40 y su altura oscila entre los rangos de 119 Y 124 mm. La altura del talón es 10 mm. Esta prótesis tiene varios sistemas de acoplamiento hacia el socket [14].

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Esta prótesis está compuesta por siete subensambles, los cuales tienen piezas particulares y elementos estándar (tornillos, arandelas, sistemas de sujeción). El subensamble del módulo del pie consta de una placa de fibra de carbono en forma de “J” que será la estructura principal de la prótesis. La goma del talón es un componente que regula la deflexión de la prótesis. EL subensamble del kit de tubo de fibra de carbono de 30 mm cuenta con dos componentes; el tubo que estará conectado con la prótesis y el soporte que permitirá la conexión Prótesis-Socket, además, cuenta con una pieza de refuerzo en interior del tubo, que le permitirá una mayor rigidez en la conexión. Las piezas de fijación son un conjunto de piezas que conforman un soporte que permitirá la conexión prótesis-socket. Este subensamble está compuesto por una carcasa plástica, tornillos, arandelas y tuercas. El soporte pirámide macho es una pieza de aluminio que permitirá la unión prótesis - socket, está compuesto por tornillos arandelas y tuercas.

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Para la elaboración de estas piezas, se necesitan varios procesos de manufactura. Las láminas de fibra de carbono deben tener un proceso de moldeo por transferencia o de laminación dependiendo las características de la pieza, en el cual le dará la forma. Luego se procederá a elaborar el perforado y el roscado. Por último, se realizará un acabado superficial, el cual le dará a la superficie un acabado liso y brillante. La planta del pie tiene un proceso similar, pero su molde será diferente debido a que las curvas naturales que posee esta pieza tienen una inclinación un poco menor con respecto al cuerpo de la prótesis. Los tornillos, tuercas, y adaptadores son estándar y podrán ser adquiridos. El acople de adaptador por laminación no es estándar; por lo tanto, se elaborará por medio de la tecnología CNC debido a sus tolerancias y ajustes.

Este es un diseño de prótesis dinámica, es decir; devuelve una parte de la energía que el usuario le transfiere a la hora de caminar, esto sucede gracias a el material y su forma. Cuando el sujeto camina emite una compresión sobre la prótesis, está por sus propiedades mecánicas y por la ley de acción y reacción devolverá una parte de la energía cuando el sujeto deja de apoyar el pie, permitiendo un desplazamiento más fácil y cómodo. Este modelo está diseñado para caminata lenta haciéndola una prótesis ideal para personas que solo necesiten desplazarse.

1.6 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL FLEX SYMES

Esta prótesis está destinada para que el usuario pueda sentirse más cómodo cuando apoya el pie por medio de su adaptador que permite una mejor angulación. Este modelo es apto para las personas que posean un nivel de actividad física en los rangos alto, medio y bajo. El modelo Flex Symes está diseñado para pacientes que poseen un miembro residual largo. Esta prótesis pesa 540 gramos y resiste un peso hasta de 166 kg. Tiene tallas de zapato entre 22-42 y la altura es 60 mm. La altura del talón es 10 mm. Este dispositivo tiene varios sistemas de acoplamiento hacia el socket. Como está diseñada para miembros residuales largos, el acople va conectado directamente al socket [14].

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Esta prótesis está compuesta por siete subensambles, los cuales tienen piezas particulares y elementos estándar (tornillos, arandelas, sistemas de sujeción). El subensamble del módulo del pie consta de una placa de fibra de carbono en “J” que será la estructura principal de la prótesis. El Talón está hecho consta de una placa de fibra de carbono que se unirá al módulo del pie por medio de una unión atornillada al módulo del pie. El kit de cuñas para la prótesis Vari Flex permitirá controlar la elongación producida al caminar. Para ello vienen diferentes tamaños cuñas. El adaptador de encaje es una pieza que permite la unión de la prótesis con el socket. El divisor del talón es un juego de cuñas que tiene diferentes dimensiones. Estas cuñas se colocan una sobre otra para darle soporte a las placas del talón, y que no se deflecten demasiado.

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Para la elaboración de estas piezas, se necesita varios procesos de manufactura. Las láminas de fibra de carbono deben tener un proceso de moldeo por transferencia o de laminación dependiendo las características de la pieza, en el cual le dará la forma. Luego se procederá a elaborar el perforado y el roscado. Por último, se realizará un acabado superficial, el cual le dará a la superficie un acabado liso y brillante. La planta del pie tiene un proceso similar, pero su molde será diferente debido a que las curvas naturales de esta pieza tienen una inclinación un poco menor con respecto al cuerpo de la prótesis. Los tornillos, tuercas, y adaptadores son estándar y podrán ser adquiridos.

Este es un diseño de prótesis dinámica, es decir, devuelve una parte de la energía que el usuario le transfiere a la hora de caminar, esto sucede gracias a el material y su forma. Cuando el sujeto camina genera una compresión sobre la prótesis, esta, por sus propiedades mecánicas y por la ley de acción y reacción devolverá una parte de la energía cuando el sujeto deja de apoyar el pie, permitiendo un desplazamiento más fácil y cómodo. Este diseño de prótesis unido a la similitud con el pie humano permite mejores movimientos de rotación en el tobillo, haciéndola más cómoda para todos los rangos de actividad física.

1.7 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL WALKING MP

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rango de 40 a 110 mm. Las tallas de zapato están entre los rangos de 35 hasta 44. La prótesis transtibial Walking MP tiene una eficiencia del 45% es decir, acumula y devuelve este porcentaje de energía a la hora de apoyar el pie [15].

Figura 15. Modelo de prótesis transtibial Walking Mp. Fuente: ROADFRUNNERFOOT ENGINEERING, 2013 [16].

Esta prótesis cuenta con tres piezas principales, además de elementos estándar (tornillos tuercas, acoples). La primera pieza es un acople que le permitirá a la prótesis unirse con él con socket por medio de un tubo de fibra de carbono. La segunda pieza es una lámina del pie hecha en fibra de carbono que estará unida con el acople por medio de tornillos. Esta pieza se caracteriza por que es recta. La tercera pieza es la lámina de fibra de carbono que emula las curvas naturales de un pie humano. Es importante que la curvatura este bien diseñada puesto que de esto depende la acumulación y retorno de energía. Este componente se conectará a la pieza recta por medio de tornillos.

Figura 16. Piezas de la prótesis transtibial Walking Mp. Fuente: ROADFRUNNERFOOT ENGINEERING, 2013 [16].

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inclinación un poco menor respecto al cuerpo principal de la prótesis. Los tornillos, tuercas, y adaptadores son estándar y podrán ser adquiridos.

Este es un diseño de prótesis dinámica, es decir, devuelve una parte de la energía que el usuario le transfiere a la hora de caminar, esto sucede gracias a el material y su forma. Cuando el sujeto camina emite una compresión sobre la prótesis, esta, por sus propiedades mecánicas y por la ley de acción y reacción devolverá una parte de la energía cuando el sujeto deja de apoyar el pie, permitiendo un desplazamiento más fácil y cómodo. Esta prótesis devuelve el 45% de la energía que recibe, haciéndola bastante eficiente.

1.8 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL DYNAMIC PLUS

Este modelo de prótesis gracias a su forma y pocos componentes tiene una gran estabilidad para sujetos que tengan un nivel de actividad medio. Este modelo está diseñado en fibra de carbono y puede resistir un peso 110 kg. Tiene seis diferentes tallas de pie que oscilan entre 35 y 46 [15].

Figura 17. Modelo de prótesis transtibial Dynamic Plus. Fuente: ROADFRUNNERFOOT ENGINEERING, 2013 [16].

Esta prótesis está compuesta de tres partes principales: la base, la placa en forma de pie y los acoples de caucho que permitirás amortiguar el impacto en la planta. La base es un acople que ira conectada a socket por medio de un tubo de fibra de carbono, el material de este acople puede ser aluminio y tendrá el efecto de cuña cuando se acople con el tubo. La lámina de fibra de carbono es el cuerpo principal de la prótesis. Esta será la encargada de acumular la energía para posteriormente devolverla. Por ultimo las placas de caucho, tienen la función de amortiguar la prótesis al caminar, además de evitar que el material de fibra de carbono choque con el suelo.

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Las láminas de fibra de carbono deben tener un proceso de moldeo por transferencia o de laminación dependiendo las características de la pieza, en el cual le dará la forma. Luego de esto se procederá a rectificar para obtener un adecuado acabado superficial y, para tener una superficie completamente lisa. El acople se elaborará en aluminio, esta parte puede ser elaborada mediante mecanizado, pero debido a la exactitud que se debe tener, se debe utilizar una herramienta de corte CNC. Los tornillos, tuercas, y adaptadores son estándar y podrán ser adquiridos.

Este es un diseño de prótesis dinámica, es decir, devuelve una parte de la energía que el usuario le transfiere a la hora de caminar, esto sucede gracias a el material y su forma. Cuando el sujeto camina emite una compresión sobre la prótesis, esta, por sus propiedades mecánicas y por la ley de acción y reacción devolverá una parte de la energía cuando el sujeto deja de apoyar el pie, permitiendo un desplazamiento más fácil y cómodo.

1.9 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL MULTI AXIAL

Este tipo de diseño en fibra de carbono permite que la prótesis sea más ligera y flexible. Gracias a la forma de la planta del pie y el talón, la persona puede desplazarse con mayor comodidad y confianza en terrenos irregulares. Este dispositivo puede aguantar 166 kg, su altura oscila entre los rangos de 22 y 31 cm, donde el pie tiene nueve diferentes tallas de zapato [16].

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La prótesis consta de tres diferentes placas unidas entre sí. Cada una de estas tiene diferentes curvas naturales que le darán su respectiva forma. Las primeras dos placas emularan la formar del talón, en esta parte se acumulará y devolverá la energía. La tercera placa en forma de “J” será el soporte principal de la prótesis. Esta pieza tendrá una conexión que permitirá la unión entre la prótesis y el socket. Por último, tiene una goma que va unida a la placa del pie y del talón, esto le permitirá dar agarre a la prótesis y amortiguará la carga para que el material de fibra de carbono no rose con el suelo.

Figura 20. Piezas que conforman la prótesis Multi Axial. Fuente: ROADFRUNNERFOOT ENGINEERING, 2013 [16].

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1.10 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL PATENTE US4822363

Es una patente elaborada en el año 1973, donde describe varios modelos de prótesis transtibial, pero el seleccionado es el mostrado en la imagen. Esta prótesis es dinámica, es decir acumula y devuelve energía, esto sucede por la geometría y propiedades mecánicas del material los materiales utilizados para esta prótesis son fibra de carbono y acero [17].

Figura 21. Modelo de prótesis transtibial Modular Composite Prosthestic foot and leg. Fuente: PATENTE US4822363, 1973 [17].

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Figura 22. Vista lateral y despiece de la prótesis transtibial Modular composite PROSTHETIC foot and leg. Fuente: PATENTE US4822363, 1973 [17].

Las láminas de fibra de carbono deben tener un proceso de moldeo por transferencia o de laminación dependiendo las características de la pieza, en el cual le dará la forma. La pieza que emula la geometría de la planta tendrá el mismo proceso que la pieza principal. La placa atornillada que conectará el cuerpo de la prótesis con el socket puede hacerse por el proceso de laminación, aunque también por moldeo. Después se procederá hacer el roscado y por último se procederá a efectuar el acabo superficial, para dejar la superficie completamente lisa. Las demás piezas son estándar y se pueden adquirir.

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Esta es una patente del año 2003, diseñada para acumular y descargar energía mediante su material y geometría. Esta prótesis puede ser desarrollada hecha de diferentes fibras, como son las de carbono, vidrio o keblar. El modelo tiene como característica principal un apoyo más cómodo, gracias a la forma de la suela que imita la forma del pie humano. Este dispositivo tiene además una buena resistencia gracias a que las láminas están diseñadas para aguantar altos ciclos de carga, generalmente para personas con baja actividad física [18].

Figura 23. Modelo de prótesis transtibial Foot próstesis with modular foot plate. Fuente: Patente US 6527811, 2003 [18].

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Figura 24. Vista la lateral y superior de la prótesis transtibial Foot prosthesis with modular foot plate. Fuente: Patente US 6527811, 2003 [18].

Para la elaboración de las tres placas principales, se necesitan los mismos procesos de manufactura. Las láminas de fibra de carbono deben tener un proceso de moldeo por transferencia o de laminación dependiendo las características de la pieza, en el cual le dará la forma. Luego las piezas que necesiten roscado se agujerarán y se roscarán. Por último, se hará un rectificado para corroborar que las medidas están correctas y se elaborará un acabado superficial para dejar las piezas lisas. Las piezas estándar se podrán conseguir. 1.11.3 Desempeño mecánico

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carbono, vidrio o keblar. Las curvas cerradas permiten una acumulación de energía mucho mayor que los prototipos anteriores de esta prótesis [19].

Figura 25. Modelo de prótesis transtibial Prosthestic foot. Fuente: Patente US 6514293, 2003 [19].

Esta prótesis consta de cinco diferentes partes. La parte principal de la prótesis reside en la pieza que emula la forma del pie. Está conformada por la unión de dos placas con una geometría irregular, que permitirá a la prótesis imitar el movimiento en el tobillo y talón. La prótesis está conectada al socket mediante una barra perforada. Cuenta con dos acoples que permitirán la conexión entre la prótesis y la barra perforada.

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La pieza fundamental para la prótesis es el pie. Está conformada por dos placas adheridas mediante una resina. Cada placa tendrá el mismo proceso de manufactura. Las láminas de fibra de carbono deben tener un proceso de moldeo por transferencia o de laminación dependiendo las características de la pieza, en el cual le dará la forma. Después de tener el modelo se unirán las dos láminas para formar la pieza. Por último, se les elaborará un acabado superficial para tener una superficie completamente lisa. Los acoples y la barra perforada se pueden adquirir; aunque, en caso de que no se encontraran, por medio de maquinado y perforado se pueden elaborar.

Este es un diseño de prótesis dinámica, es decir, devuelve una parte de la energía que el usuario le transfiere a la hora de caminar, esto sucede gracias a el material y su forma, cuando el sujeto camina emite una compresión sobre la prótesis, esta, por sus propiedades mecánicas y por la ley de acción y reacción devolverá una parte de la energía cuando el sujeto deja de apoyar el pie, permitiendo un desplazamiento más fácil y cómodo.

1.13 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL PATENTE 2012/0191222

Este dispositivo es de una patente elaborada en el 2012. Esta prótesis modular está hecha para permitir un desplazamiento más cómodo del sujeto gracias a su forma. Su diseño está dirigido a personas sensibles en la parte amputada, ya que, con su forma de tobillo permite un apoyo mucho más suave y ángulos de desplazamiento mayores a diferencias de otras prótesis ordinarias. [20]

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La prótesis transtibial consta de seis piezas. La pieza central es aquella que permite la unión entre el pie y el socket por medio de una barra perforada. Las placas del talón y la parte delantera del pie son láminas de un material fibroso que permitirán la acumulación y devolución de energía. La barra perforada será el soporte de la prótesis y estará conectada mediante un acople al socket mediante un sistema de sujeción por pines [20].

Figura 28. Modelo de prótesis transtibial. Fuente: Patente 2012/0191222, 2012 [20].

Para la elaboración de las piezas que conforman la prótesis se utilizara el proceso de moldeo para dar a cada componente su respectiva forma. Una vez extraídas del molde las piezas se iniciará un proceso de rectificado y por último un proceso de acabado superficial para dejarlas completamente lisas. El acople que une la prótesis con la barra perforada se elaborará por maquinado. Al ser un ajuste muy preciso se recomienda usar la tecnología CNC para su elaboración. Los elementos estándar como la barra, tornillos y arandelas se pueden comprar.

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1.14 MODELO DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL-ICRC

Esta prótesis es parte de un manual de la cruz roja internacional, que tiene un paso a paso de cómo elaborar prótesis con materiales reciclables. Cabe mencionar que esta prótesis es funcional, mas no es dinámica, esto quiere decir que tiene un uso como soporte para la caminata, mas no acumula ni retorna energía [21].

Figura 29. Modelo de prótesis transtibial ICRC. Fuente: ICRC, 2006 [21].

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Figura 30. Piezas de la prótesis transtibial de la ICRC. Fuente: ICRC),2006 [21] FUENTE: ICRC(Comité Internacional de la Cruz Roja ), 2006 [21].

Las piezas de esta prótesis tienen como característica principal que son tomadas de material reciclado. La única pieza que necesita de un proceso de manufactura es la numero 6. Esta pieza se puede elaborar mediante el proceso de moldeo, con un polímero que tenga la resistencia suficiente para soportar altos ciclos de caminata.

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1.15 ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE LOS DIFERENTES TIPOS DE PRÓTESIS

A continuación, se muestra una tabla con las principales características de diseño y manufactura de las prótesis anteriormente analizadas.

Tabla 1: diferentes prótesis con su número de componentes, procesos de manufactura y materiales

N

° NOMBRE IMAGEN

N° DE PIEZA S N° ELEMENTO S ESTÁNDAR N° PROCESOS

MANUFACTURA MATERIALES

1

Modelo de prótesis transtibial

Talux

10 6

1) Moldeo /laminación 2) Perforado 3) Roscado 4) Mecanizado Fibra de Carbono Aluminio Plástico 2 Modelo de prótesis transtibial Vari Flex

10 17

1) Moldeo /laminación 2) Perforado 3) Roscado 4) Mecanizado Fibra de Carbono Aluminio Plástico 3 Modelo de prótesis transtibial Vari Flex Modular

4 13

1)Moldeo/ laminación 2) Perforado 3) Roscado 4) Mecanizado Fibra de Carbono 4 Modelo de prótesis transtibial Flex Foot Cheetah

3 8

1) Moldeo /laminación 2) Perforado 3) Roscado 4) Mecanizado Fibra de Carbono 5 Modelo de prótesis transtibial Lo Vari Flex

4 7

(49)

N

6 Modelo de prótesis transtibial Flex Foot Assure

6 17

1) Moldeo /laminación 2) Perforado 3) Roscado 4) Mecanizado Fibra de Carbono Aluminio Plástico 7 Modelo de prótesis transtibial Flex Symes

3 10

1) Moldeo /laminación 2) Perforado 3) Roscado 4) Mecanizado Fibra de Carbono Plástico Caucho 8 Modelo de prótesis transtibial Walking

3 3

1) Moldeo /laminación 2) Perforado 3) Roscado 4) Mecanizado Fibra de Carbono Plástico 9 Modelo de prótesis transtibial Dynamic Plus

2 2

1) Moldeo /laminación 2) Perforado 3) Roscado 4) Mecanizado Fibra de Carbono Aluminio 1 0 Modelo de prótesis transtibial Multi Axial

4 1

1) Moldeo /laminación 2) Perforado 3) Roscado 4) Mecanizado Fibra de Carbono Aluminio 1 1 Modelo de prótesis transtibial Modular composite PROSTHETI C foot and

leg

3 4

1) Moldeo /laminación 2) Perforado 3) Roscado 4) Mecanizado Fibra de Carbono Aluminio Acero 1 2 Modelo de prótesis transtibial Foot prosthesis with

3 6

(50)

N

1 3 Modelo de prótesis transtibial Prosthestic foot

4 12

1) Moldeo 2) Perforado 3) Roscado 4) Mecanizado Fibra de Carbono Aluminio Acero 1 4 Modelo de prótesis transtibial

6 4

1) Moldeo 2) Perforado 3) Roscado 4) Mecanizado 5) Doblado Fibra de Carbono Aluminio Acero 1 5 Modelo de prótesis transtibial ICRC

6 1

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1.16 COMPARACIÓN DE MODELOS DE PRÓTESIS TRANSTIBIAL

Para la selección del modelo de prótesis es necesario tener en cuenta ciertos aspectos. Los principales son: factores económicos, materiales del modelo a seleccionar, procesos de manufactura y consecuencias ambientales, esto con el fin de tomar la mejor elección del dispositivo tecnológico [22].

Teniendo en cuenta los factores mencionados, se elaboraron los requerimientos que se tendrán en cuenta a la hora de la selección de prótesis. Para esto se tomará el modelo de comparación de prototipos QFD. Los requerimientos por considerar en el QFD son los siguientes

1. Bajo Costo 2. Fácil de elaborar 3. Alta Duración

4. Fácil Mantenimiento 5. Bajo peso

6. Bajo Impacto Ambiental 7. Fácil de parametrizar 8. Fácil ensamble

Teniendo en cuenta los requerimientos se procedió a seleccionar las variables con las que se procederá a darle peso a los requerimientos:

1. Peso del material

2. Numero de procesos de manufactura 3. Costo de proceso de manufactura 4. Costo del material por Kilogramo 5. Tiempo de duración de la prótesis

6. Componentes de la prótesis de la prótesis 7. Número de componentes estándar

8. Cantidad de material que se podrán reciclar

9. Número de componentes que tienen curvas naturales

(52)

Figura 31. QFD con la cual se elaborara la selección del modelo de prótesis transtibial. Fuente: Autor.

1.16.1 Comparación de modelos por el método QFD

(53)

Figura 32. requerimientos vs parametros de Ingeniria, relaciones. Fuente: Autor.

(54)

Figura 33. Ponderación y puntuaciones de los diferentes tipos de prótesis. Fuente: Autor.

Como resultado de la comparación de modelos, la prótesis Modular composite Prosthetic Foot and Leg (Sección 1.10) fue la que tuvo mayor puntaje; por lo tanto, este será el modelo que se seleccionará.

1.16.2 Modelo CAD de la prótesis seleccionada

(55)

Figura 34. Prótesis transtibial seleccionada en modelo CAD. Fuente: Autor.

1.17 CONCLUSIONES DE LA SELECCIÓN DE PRÓTESIS.

• Actualmente en el campo de las prótesis transtibiales se ha apostado por los diseños dinámicos. Esto indica que las prótesis además de su función principal que es permitirle a una persona desplazarse de un lugar a otro, debe tener un plus que le permita de otra manera ayudar al usuario en la caminata.