INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada
Posgrado en Tecnología Avanzada
ELONGADOR MECÁNICO DEL NERVIO ISQUIÁTICO
TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN TECNOLOGÍA AVANZADA
P R E S E N T A
Ing. Ricardo Durán Ávila
Santiago de Querétaro, Querétaro de Arteaga, Octubre 2009.
Directores de Tesis
M. en C. Maximiano Francisco Ruiz Torres
Dr. Eduardo Morales Sánchez
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ii
iii
Agradecimientos
Quiero expresar mis más sinceros agradecimientos a todas aquellas personas con quienes incondicionalmente siempre he contado. Aquellas que con unas palabras y una sonrisa han iluminado mi camino…
…¡GRACIAS!
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada Unidad Querétaro
ELONGADOR MECÁNICO DEL NERVIO ISQUIÁTICO
Ricardo Durán Ávila
v
RESUMEN
La presente obra muestra el proceso de investigación y desarrollo desde el punto de vista del diseño mecánico y con bases médicas de un sistema mecánico que tiene como finalidad la elongación y almacenamiento in situ del nervio isquiático.
Se describen las investigaciones actuales encaminadas a tratar con las lesiones en la médula espinal que provocan la paraplejía, de donde se determina que se encuentran en un punto de inflexión en el que sus esfuerzos van dirigidos hacia una cura, y no sólo a sobrellevar el padecimiento, lo que ha conducido a desarrollos en los que avances de un tipo benefician a un segundo y viceversa. Sin embargo, se concluye que aún están lejos de llegar a convertirse en una realidad clínica. Por ello, se presenta en este trabajo una parte muy importante de una nueva propuesta, consistente en aprovechar las ventajas que representa tratar el problema haciendo uso del sistema nervioso periférico, del cual se sabe que su regeneración es superior al del sistema nervioso central.
Dicha propuesta requiere la concepción del mecanismo del que se habla en un inicio. A lo largo del escrito se detalla la información que posibilita tal creación, así como los requerimientos que se generan del entendimiento del sistema nervioso. Por que a final de cuentas, se debe cuidar lo más posible la integridad de éste. Se desarrolla entonces el proceso de diseño, el cual es retroalimentado con pruebas que se realizaron en un cuerpo.
Con los nuevos datos se prosigue con una versión mejorada del mecanismo, el cual se describe en el documento. Se hace uso del análisis por elemento finito para la validación de los componentes, así como las mejoras correspondientes. Teniendo en cuenta en todo momento que los materiales a utilizar sean biocompatibles. Como resultado se obtiene un diseño refinado del mecanismo con todos sus componentes detallados.
vi
ABSTRACT
This work shows the process of research and development from the standpoint of mechanical design and medical basis of a mechanical system that is aimed at stretching and site storage sciatic nerve.
It describes the current research aimed at dealing with spinal cord injuries that cause paraplegia, of which he was to be found in an inflection point where their efforts are directed toward a cure, not just to cope with illness This has led to developments in the progress of a type that benefits a second and vice versa. However, it concludes that they are still far from reach to become a clinical reality. Therefore, this paper presents a very important part of a new proposal, namely to take the advantages of treating the problem using the peripheral nervous system, which is known that regeneration is superior to the Central Nervous System.
This proposal requires the design of the mechanism which is discussed in the beginning.
Throughout the letter detailing the information that allows such a creation, as well as the requirements that are generated from understanding the nervous system. For that end, care should be taken as closely as possible the integrity of it. Then develops the design process, which is retrofitted with tests that were conducted in a body.
With the new data is continuing with an improved version of the mechanism, which is described in the document. It makes use of finite element analysis for validation of components and related improvements. Taking into account at all times to use materials that are biocompatible. The result is a refined design of the mechanism with all its detailed components.
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Índice general
RESUMEN... V ABSTRACT ... VI
CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN ... 1
BREVEINTRODUCCIÓN ...1
PARAPLEJÍA ...2
CAUSAS ... 3
SÍNTOMAS ... 3
DIAGNÓSTICOYTRATAMIENTOS ... 4
IDEAGENERALDELPROYECTO ...4
DESCRIPCIÓN ... 6
DELIMITACIÓN ... 8
OBJETIVOGENERALYOBJETIVOSESPECÍFICOS ...8
JUSTIFICACIÓN ...9
ESTRUCTURADELATESIS ... 11
CAPITULO 2. MARCO TEÓRICO ... 12
INTRODUCCIÓNALSISTEMANERVIOSO ... 12
CONSIDERACIONESBIOMECÁNICAS ... 15
DESARROLLOPREVIOCONCEPTUAL ... 20
CONFIGURACIÓNDELSISTEMA ... 20
ESPECIFICACIONESDEDISEÑO ... 24
METODOLOGÍADEDISEÑOMECÁNICO ... 24
ANÁLISISPORELEMENTOFINITO ... 26
ANÁLISISESTÁTICO ... 28
CAPITULO 3. DESARROLLO ... 30
INTRODUCCIÓN ... 30
CONCEPCIÓN ... 30
PRIMERCONCEPTO ... 31
SEGUNDOCONCEPTO ... 31
DISEÑO ... 33
DIMENSIONES ... 33
CAPACIDADDEELONGACIÓN ... 33
DESCRIPCIÓNDELOSCOMPONENTES... 35
ANÁLISIESTRUCTURAL ... 35
OPTIMIZACIÓNENELDISEÑODELELONGADOR ... 40
viii
CAPITULO 4. CONSTRUCCIÓN Y PRUEBA ... 41
INTRODUCCIÓN ... 41
PRUEBAENCUERPO ... 43
PRUEBASUBSIGUIENTE ... 49
CAPITULO 5. CONCLUSIONES ... 54
CONCLUSIONES ... 54
BIBLIOGRAFÍA... 56
ANEXOS ... 58
ANEXO1.ANATOMÍAFUNCIONALYFISIOLOGÍADELSISTEMANERVIOSO ... 58
ANEXO2.AVANCESENELTRATAMIENTODELESIONESENMÉDULAESPINALYNERVIOS PERIFÉRICOS ... 72
ANEXO3.COMPENDIODEBIOMATERIALES... 76
ANEXO4.PLANOS ... 82
ANEXO5.BOTONERA ... 93
ANEXO6.EJESFLEXIBLES ... 94
GLOSARIO ... 95
ix
Índice de Figuras
Figura 1 Diagrama del sistema nervioso ... 6
Figura 2 Nervio ciático ... 7
Figura 3 Plexo Braquial ... 8
Figura 4 Sistema nervioso ... 13
Figura 5 Nervio periférico ... 14
Figura 6 Neurona motora típica ... 15
Figura 7 Aparato para la expansión de tejido ... 18
Figura 8 Aparato multipropósito ... 19
Figura 9 Mecanismo de soporte ... 19
Figura 10 Diagrama de la configuración de elementos del sistema... 20
Figura 11 Modelado en 3D cadera-fémur ... 21
Figura 12 Fotografía del modelo construido como botonera ... 22
Figura 13 Diagrama de una variación de la botonera de tres botones ... 22
Figura 14 Fotografía del modelo construido como elongador, con sistema de transmisión por engranajes ... 23
Figura 15 Fases en el diseño ... 24
Figura 16 Proceso de desarrollo de producto en espiral ... 25
Figura 17 FEA... 26
Figura 18 Elemento tetraédrico con los nodos en rojo ... 27
Figura 19 Análisis estático lineal y no-lineal ... 28
Figura 20 Propiedades mecánicas básicas ... 29
Figura 21 Primer propuesta ... 31
Figura 22 Elementos del elongador mejorado ... 32
Figura 23 EJE ... 32
Figura 24 Representación seccionada de un nervio enrollado ... 33
Figura 25 Eje neutro... 34
Figura 26 Configuración final ... 35
Figura 27 Disposición de los elementos clave en el mecanismo ... 36
Figura 28 Propiedades del material en la simulación ... 37
Figura 29 Chicote ... 37
Figura 30 Cople... 38
Figura 31 Eje ... 38
Figura 32 Propiedades del material en la simulación ... 39
Figura 33 Consideraciones de carga para el acomodador ... 39
Figura 34 Dedo ... 40
Figura 35 Montaje ... 42
Figura 36 Incisión en la parte posterior de la pierna izquierda ... 44
Figura 37 Medición de la profundidad disponible ... 44
Figura 38 Grosor del nervio ... 44
Figura 39 disposición de los músculos y el nervio siático ... 45
Figura 40 Posicionamiento de un prototipo con ángulos pronunciados ... 45
Figura 41 Sutura con el prototipo prismático ... 46
Figura 42 Espacio medido entre la superficie de la piel y el nervio ... 46
x
Figura 43 Manipulación del nervio ... 47
Figura 44 Desprendimiento del nervio de su lecho ... 47
Figura 45 Colocación del aparato ... 48
Figura 46 Aplicación de torque... 48
Figura 47 Lectura de torque ... 49
Figura 48 Arreglo de la prueba ... 49
Figura 49 Montaje ... 50
Figura 50 Prueba con 100 gramos ... 50
Figura 51 Aplicación de torque... 51
Figura 52 Prueba con 500 gramos ... 52
Figura 53 Dinamómetro ... 52
Figura 54 Torcimiento del extremo distal ... 52
Figura 55 Torcimiento del extremo proximal ... 53
Figura 56 Plexo ... 59
Figura 57 Diagrama esquemático de neuronas mielinada y no-mielinada ... 59
Figura 58 Representación esquemática de la biomecánica de la vaina mielina ... 60
Figura 59 Representación esquemática de la vaina de tejido conectivo de un segmento multi-fascicular de un nervio periférico ... 60
Figura 60 Esquema representativo de la ramificación en fascículos en un nervio músculo- cutáneo ... 62
Figura 61 Neuroeje y dura ... 64
Figura 62 Arreglo de colágeno de la aracnoides y pía ... 65
Figura 63 Sección del canal espinal, meninges y médula espinal ... 65
Figura 64 Disposición de los ligamentos denticulados en la teca de la Duramadre ... 66
Figura 65 Arreglo extrínseco e intrínseco neuronal del sistema circulatorio ... 67
Figura 66 Adaptación de la médula espinal ... 68
Figura 67 Suministro sanguíneo intrínseco a una raíz nerviosa ... 68
Figura 68 Nervio periférico multifascicular y su suministro sanguíneo ... 69
Figura 69 Adaptaciones del sistema de suministro sanguíneo en un nervio periférico .... 69
Figura 70 Sistema de transporte axoplásmico en una neurona ... 70
Figura 71 Inervación del tejido conectivo en un nervio periférico ... 71
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Índice de Tablas
Tabla 1 Población con discapacidad ... 9
Tabla 2 Porcentaje de la población con discapacidad ... 10
Tabla 3 Sistema nervioso ... 13
Tabla 4 Sistema nervioso somático y autónomo... 14
Tabla 5 Sistema nervioso autónomo ... 15
Tabla 6 Primer prueba ... 50
Tabla 7 Prueba extremo libre con 500 gramos ... 51
Tabla 8 Meninges ... 64
Tabla 9 Uso de biomateriales ... 76
Tabla 10 Materiales para uso en el cuerpo... 76
Tabla 11 Composición del acero inoxidable 316L ... 78
Tabla 12 Propiedades Mecánicas del Acero inoxidable 316L para implantes ... 78
Tabla 13 Gravedades específicas de algunas aleaciones para implantes metálicos ... 79
Tabla 14 Requerimientos para polímeros biomédicos ... 79
Tabla 15 Aplicación biomédica de biomateriales poliméricos ... 79
Tabla 16 Propiedades del PTFE ... 81
1
CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN
En este primer capítulo se hace una pequeña introducción al contenido del trabajo y a la idea general del mismo. Se introducen algunos conceptos sencillos acerca de la problemática que se quiere atacar, la justificación, objetivos y por último se describe la estructura de la tesis.
BREVE INTRODUCCIÓN
La presente obra muestra el proceso de investigación y desarrollo desde el punto de vista del diseño mecánico y con bases médicas de un sistema mecánico que tiene como finalidad la elongación y almacenamiento in situ del nervio isquiático.
El párrafo anterior muestra de manera el panorama general de este escrito, y sin embargo, hace falta aclarar varios puntos importantes, ya que se puede extender de sobre manera el tema, por ello el alcance es cumplir con los objetivos particulares que se enlistan en una sección posterior, los cuales en su momento se discutirán.
La naturaleza del proyecto involucra dos áreas, principalmente la ingeniería mecánica y la medicina; debido a esto, la información que se documenta es de utilidad tanto a un ingeniero como a un médico; desde luego la finalidad del trabajo es la concepción de un aparato mecánico que hace uso del conocimiento médico para establecer sus requerimientos de diseño. De hecho se va un poco más lejos, ya que se expone un panorama general en cuanto al tratamiento actual de las lesiones a la medula espinal, de las cuales una gran cantidad de estas producen la paraplejia. También se presenta como marco teórico la anatomía y fisiología del sistema nervioso periférico, ya que se requiere de un entendimiento claro de este para que se pueda diseñar de acuerdo a sus características. Una revisión de la literatura que aporta datos tanto cualitativos como cuantitativos que apoyan el diseño del sistema.
El sistema involucra básicamente dos aparatos, el primero, el elongador, el cual es la razón principal de este desarrollo, y el manipulador, del que se presenta como una propuesta que se delimitará como un concepto a desarrollar.
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Al final se anexan otros documentos que sirven de soporte a lo que se trata a lo largo del contenido de la tesis, así como la incorporación de un glosario con términos médicos específicos.
PARAPLEJÍA
Para entender lo que es la paraplejía comencemos con la definición de lo que se denomina “La parálisis”, que es la pérdida completa de fuerza en un grupo muscular afectado (Longe & Blanchfield, 2002).
El llamado “conductor motriz” es la cadena de células nerviosas que corren del cerebro a través de la médula espinal hasta el músculo, éste requiere para una función plena de conexiones intactas a lo largo de este conductor motriz; por lo cual alguna lesión en cualquier zona perjudica la capacidad del cerebro de controlar los movimientos del músculo. Esto último se traduce en debilidad (paresia: ausencia parcial de movimiento voluntario) y la pérdida completa de comunicación imposibilita el movimiento voluntario, es entonces lo que se conoce como parálisis. Existen ciertos tipos de anormalidades hereditarias en músculos que causan parálisis periódicas, en las que como el nombre indica la debilidad va y viene.
Una debilidad puede conducir a una parálisis, es decir, un estado de debilidad puede progresar a una parálisis, y el caso inverso también es posible, la fuerza puede ser recuperada en un miembro paralizado, una posibilidad para ello es la regeneración o recrecimiento del nervio.
Se pueden apreciar los efectos de la parálisis sobre un músculo con cambios en el tono de éste. Casi siempre presentan flacidez, falta de tono, o pueden ser espásticos (espasticidad:
trastorno motor del sistema nervioso en el que algunos músculos se mantienen permanentemente contraídos), o estar tensos y mostrar anormalmente un tono mayor cuando son movidos.
Un solo músculo puede ser afectado por la parálisis, sin embargo es más común que una región entera del cuerpo sea la afectada. Para describir la distribución por región del cuerpo de una parálisis se utiliza el sufijo griego “-plejía”, que significa “golpe”, como sigue:
a) Monoplejia. Afecta a un solo miembro.
b) Diplejía. Afecta la misma región a ambos lados del cuerpo, por ejemplo, ambos lados de la cara.
c) Hemiplejia. Afecta a un solo lado del cuerpo.
d) Paraplejia. Afecta a ambas piernas y el tronco.
e) Cuadriplejia. Afecta a todos los cuatro miembros y el tronco.
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CAUSAS
El daño a nivel nervioso puede ser en el sistema nervioso central (cerebro o médula espinal) o en el sistema nervioso periférico (los nervios externos a la médula espinal).
Entre las principales causas de daño al cerebro están la apoplejía, tumores, traumas, esclerosis múltiple (una enfermedad que destruye la cubierta protectora de las células nerviosas), parálisis cerebral (condición causada por un defecto o lesión al cerebro que ocurre al poco tiempo del nacimiento), desórdenes metabólicos (desórdenes que interfieren con la habilidad el cuerpo para mantenerse por sí mismo).
En el caso de daños a la columna vertebral la causa más común son los traumas, tales como los provocados por caídas o accidentes automovilísticos. Existen condiciones que pueden dañar inmediatamente adyacente o en la misma médula espinal, tales como:
Tumores
Hernias de disco
Espondilosis (enfermedad que causa estrechamiento en las uniones de la espina) Artritis reumatoide
Enfermedades neurodegenerativas Esclerosis múltiple
Los nervios periféricos pueden ser dañados a causa de lo siguiente:
Traumas
Compresión o entrampado
Síndrome de Guillain-Barré (enfermedad de los nervios que a veces sigue de una fiebre causada por una infección viral o inmunización)
Poliradiculoneuropatía demielinizante inflamatoria crónica, (CIDP en inglés), (condición que causa dolor y hinchazón en la cubierta protectora de las células nerviosas)
Radiación
Enfermedad demielinizante hereditaria (condición que destruye la cubierta protectora alrededor de la célula nerviosa)
Toxinas o venenos
SÍNTOMAS
Es posible determinar el sitio del daño nervioso conociendo la distribución de la parálisis, así por ejemplo, la paraplejía es casi siempre causada después de una lesión a nivel de la médula baja, la cuadriplejia tiene lugar después de un daño a nivel superior de la médula
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espinal a la altura de los hombros o más. La hemiplejia casi siempre causada por un trauma en el cerebro del lado opuesto al de la parálisis, la diplejía también denota daño cerebral a menudo por parálisis cerebral. La monoplejia puede ser causada por un daño aislado ya sea concerniente al sistema nervioso central o al periférico. Mientras que debilidad o parálisis que se presenta únicamente en los brazos y piernas puede indicar una enfermedad de demielización. La esclerosis múltiple puede ser la causa de síntomas fluctuantes en diferentes partes del cuerpo.
Una parálisis repentina puede ser en la mayoría de las veces causada por un trauma o lesión. Una parálisis diseminada puede indicar una enfermedad del tipo degenerativa, una enfermedad inflamatoria tal como el síndrome de Guillain-Barré o CIDP (en inglés), desórdenes metabólicos, o trastorno diemielizante hereditario.
Síntomas como el entumecimiento y hormigueo, dolor, cambios en la visión, dificultades con el habla o problemas con el balance pueden acompañar a parálisis de cierto tipo. Un daño en la médula espinal a menudo causa pérdidas en el funcionamiento normal de órganos tales como la vejiga, intestinos, así como órganos sexuales, un daño mayor puede causar dificultades en funciones vitales como lo es la respiración.
DIAGNÓSTICO Y TRATAMIENTOS
El diagnóstico debe ser muy minucioso, considerando incidentes, traumas, exposición a toxinas, infecciones recientes, cirugías, dolores de cabeza, trastornos metabólicos preexistentes, así como el historial familiar referente a dolencias u otras condiciones neurológicas.
Las pruebas comprenden fuerza, reflejos y sensación tanto en las áreas afectadas como en las normales. Exámenes para el diagnóstico de la función del músculo y los nervios periféricos como pruebas de velocidad de conducción y electromiografías son llevadas a cabo. El escaneo por medio de la tomografía computarizada, imagen por medio de resonancia magnética o mielografía son útiles en la determinación del sitio afectado.
El entender bien el problema subyacente a la parálisis es el punto de partida a su tratamiento. Los programas de rehabilitación para el caso de una pérdida de función causada por una parálisis prolongada incluyen:
Terapia física. Enfocada a la movilidad.
Terapia ocupacional. Auxiliar en las actividades diarias.
Otras especialidades.
IDEA GENERAL DEL PROYECTO
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La idea general del proyecto fue concebida por el Dr. Faustino Llamas Ibarra de la Clínica Neurológica de Querétaro, como una alternativa en la investigación para el tratamiento de las lesiones en la médula espinal, más precisamente las que resultan en paraplejía. Aunque cómo se verá más adelante sus implicaciones podrían ser más extensas.
Como se sabe la paraplejía afecta desde el tronco a las extremidades inferiores, existen varias causas que provocan tal condición, pero aquí se aborda la que tiene que ver con una lesión directa sobre la médula espinal a la altura de entre algunas de las vértebras torácicas y parte de las lumbares, de tal manera que se interrumpe la comunicación en esta parte.
Las lesiones en la médula espinal son en la mayoría de los casos intratables, aunque las investigaciones más recientes están aportando elementos interesantes que reducirán esta brecha, sin embargo, están lejos de ser prácticas clínicamente hablando. Mientras que para el caso de las lesiones en el sistema nervioso periférico se ha avanzado mucho más y con resultados tangibles.
Se trata entonces de desarrollar una técnica en la cual básicamente se hace crecer un nervio periférico para que tenga la longitud necesaria de alcanzar y conectarse a otro semejante, dejando la lesión de la médula entre éstos; así el problema de involucrar la médula espinal y sus respectivas conexiones queda reducido a un problema de nervios periféricos. Para tal fin se involucran los siguientes conjuntos de plexos de la anatomía humana, en la parte alta de la medula estaría el braquial, y en la parte baja el lumbar y el sacro; quedando definida la lesión entre estos, (aunque también la lesión podría involucrar a éstos últimos). En la siguiente Figura 1 se puede apreciar la disposición del sistema nervioso.
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Figura 1 Diagrama del sistema nervioso
Al efectuar dicha conexión lo que se pretende es que el paciente recobre parte de la movilidad y sensibilidad de los miembros inferiores y pueda enfrentar mejor los impedimentos que acarrea la paraplejía, mejorando su calidad de vida.
DESCRIPCIÓN
La magnitud del proyecto requiere que se estructure por etapas, una vez que se culmina con una la siguiente será iniciada tomando en consideración la información obtenida en la anterior, lo que seguramente hará necesario un rediseño de la misma. Así que los planteamientos que en un inicio se formularon tal vez no sean válidos con la nueva información.
En la primera etapa, se requiere estudiar la posibilidad de la elongación del nervio ciático, Figura 2, de tal manera que alcance una longitud considerable, esto debe ser llevado a cabo con extremo cuidado, monitoreándolo periódicamente. La manera en que se
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pretende lograr esto es mediante la implantación de un dispositivo que de alguna manera mediante tensión forcé al nervio a ser elongado, procurando proteger lo más posible la integridad del nervio y el tejido circundante. El lugar adecuado para alojar dicho aparato es en la parte media del fémur, por donde pasa el nervio, se tiene la ventaja de que queda entre músculos, se tiene facilidad de acceso y es donde el nervio tiene menor desprendimiento de ramificaciones.
Figura 2 Nervio ciático
La siguiente etapa consiste en la de elongar tanto el nervio ciático como alguno de los nervios del plexo braquial (adaptando la primer etapa al nervio del plexo braquial en cuestión) con sus respectivos aparatos de tal manera que sus nuevas dimensiones permitan la conexión entre estos nervios. Para efectuar dicha conexión es necesario seccionar en nervio ciático en su parte más próxima a la columna vertebral y al nervio del plexo en su parte más distal de la columna, finalmente ambos extremos se unirán, teniendo una única sutura, lo que representa una clara ventaja que cuando se utiliza el transplante completo de un nervio, que genera dos suturas y por lo tanto una disminución más pronunciada en la transmisión de la funciones motoras y sensitivas.
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Figura 3 Plexo Braquial
Una tercera etapa es la evaluación del procedimiento y sus beneficios. Con lo realizado hasta la segunda etapa, con lo que se cuenta, es con un puente nervioso entre el plexo braquial (Figura 3) y el nervio ciático, el cual estaba incomunicado con el sistema nervioso central, debido a la lesión. Dependiendo del éxito de la conexión, se conseguirá cierta capacidad para la conducción de las señales motoras y sensibles, que ahora llegarán al nervio ciático a través del plexo braquial y no del plexo lumbosacro; le corresponde al cerebro hacer un nuevo “aprendizaje” para controlar la nueva configuración nerviosa.
DELIMITACIÓN
Ahora que se cuenta con una descripción general, se puede entender mejor la magnitud de un proyecto de esta naturaleza, como se mencionó anteriormente en la primer etapa se hace referencia a la necesidad de construir un mecanismo que pueda ejercer una acción de tensión sobre el nervio con el fin de conseguir su elongación, y es eso precisamente el objetivo de ésta tesis:
OBJETIVO GENERAL Y OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Objetivo general
Diseñar y construir un sistema mecánico elongador del nervio isquiático.
Objetivos específicos
a) Revisión de la literatura referente al tema. Presentar un panorama acerca de la anatomía y fisiología del sistema nervioso.
b) Determinar requerimientos de diseño.
9 c) Concebir el diseño del sistema.
d) Realizar pruebas.
e) Plantear el trabajo a seguir.
Meta.
Contar con un sistema mecánico confiable para conseguir la elongación del nervio isquiático.
JUSTIFICACIÓN
La necesidad de ampliar el conocimiento de ciertas áreas del saber requiere que se involucren diferentes disciplinas, así es el caso de la ingeniería mecánica y la medicina.
Como lo indica el título de este trabajo es la creación de un aparato para usarse en la elongación y almacenamiento del nervio isquiático, teniendo en cuenta la anatomía y fisiología del sistema nervioso en la zona de implantación. La información que se pudiese generar de llevar esto a la práctica, es decir, la implantación de un mecanismo de ésta naturaleza en un ser humano vivo (que cumpla con ciertas características) requiere un desarrollo y tratamiento posterior elaborado, que se encuentran fuera del alcance de este trabajo.
Sin embargo, consultando las estadísticas a nivel nacional se puede tener una idea del impacto que pudiese tener una investigación de este tipo, Tabla 1.
Tabla 1 Población con discapacidad
Grupos de edad Total Hombres Mujeres
Total 1 795 300 943 717 851 583
0 a 4 años 44 629 24 047 20 582
5 a 9 años 89 159 49 345 39 814
10 a 14 años 102 181 56 135 46 046
15 a 19 años 91 396 51 552 39 844
20 a 24 años 88 444 50 834 37 610
25 a 29 años 83 611 49 348 34 263
30 a 34 años 83 081 49 307 33 774
35 a 39 años 82 503 48 980 33 523
40 a 44 años 85 135 49 288 35 847
45 a 49 años 89 698 50 155 39 543
50 a 54 años 98 213 53 516 44 697
55 a 59 años 97 126 52 469 44 657
60 a 64 años 115 935 59 907 56 028
65 a 69 años 122 802 61 286 61 516
70 y más años 506 023 230 484 275 539
No especificado 15 364 7 064 8 300
FUENTE: INEGI. XII Censo General de Población y Vivienda 2000. Base de datos.
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Tabla 2 Porcentaje de la población con discapacidad
Entidad federativa Motriz Auditiva Del lenguaje Visual Mental Otra
Estados Unidos Mexicanos 45.3 15.7 4.9 26.0 16.1 0.7
Aguascalientes 49.5 14.7 3.6 21.5 18.1 1.1
Baja California 55.7 12.0 3.4 16.3 17.6 0.7
Baja California Sur 48.0 13.9 4.3 22.2 18.9 0.6
Campeche 40.5 15.0 5.3 37.7 13.9 0.6
Coahuila de Zaragoza 51.3 13.8 3.4 21.4 16.1 0.6
Colima 46.0 15.4 3.9 29.2 14.6 1.1
Chiapas 40.3 14.9 8.7 28.0 15.7 0.5
Chihuahua 51.8 15.2 3.6 20.7 15.6 0.5
Distrito Federal 50.3 16.2 3.1 19.8 17.2 0.9
Durango 51.3 14.1 3.7 23.9 14.7 0.5
Guanajuato 47.6 15.4 4.1 26.1 15.2 0.8
Guerrero 42.1 16.6 7.8 27.6 15.4 0.3
Hidalgo 38.8 19.0 6.4 31.2 14.5 0.8
Jalisco 48.5 14.6 3.4 22.3 18.2 0.9
México 45.2 15.4 4.5 23.8 17.5 1.2
Michoacán de Ocampo 44.9 17.2 4.8 26.8 14.9 0.8
Morelos 43.5 17.8 4.8 28.1 15.1 1.1
Nayarit 43.1 16.5 4.6 28.1 16.9 0.7
Nuevo León 50.9 13.1 3.6 21.8 17.3 0.6
Oaxaca 37.8 18.7 7.4 31.2 13.8 0.4
Puebla 43.1 17.6 6.5 26.8 14.6 0.6
Querétaro Arteaga 45.6 15.6 4.5 25.5 16.1 1.2
Quintana Roo 37.8 14.5 6.5 34.6 15.6 0.6
San Luis Potosí 42.4 17.8 5.4 29.5 15.1 0.8
Sinaloa 45.7 13.9 5.2 23.0 19.8 0.6
Sonora 50.1 13.9 4.1 21.7 17.4 0.6
Tabasco 33.3 12.8 6.0 43.5 15.4 0.4
Tamaulipas 48.0 14.0 4.9 24.9 15.9 0.5
Tlaxcala 45.5 17.4 5.7 25.9 14.0 0.8
Veracruz de Ignacio de la Llave 38.3 16.9 6.5 32.7 15.0 0.4
Yucatán 41.3 15.1 4.5 37.0 14.1 0.7
Zacatecas 46.1 17.0 4.3 26.3 15.3 0.4
NOTA: La suma de los distintos tipos de discapacidad puede ser mayor a cien por la población que presenta más de una discapacidad.
FUENTE: INEGI. XII Censo General de Población y Vivienda 2000. Base de datos.
Como se puede apreciar en la Tabla 2 el porcentaje de discapacidad motriz es el más elevado, lo que realmente recae con el sistema locomotriz y por lo tanto con el sistema nervioso. De ahí la importancia de atender la problemática con el desarrollo de nuevas propuestas y alternativas a las existentes.
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ESTRUCTURA DE LA TESIS
La tesis está dividida básicamente en dos partes, el cuerpo principal de la tesis conformado en cinco capítulos y los anexos a los cuales se hace referencia en el cuerpo principal.
Los capítulos del cuerpo principal se agruparon como sigue: Introducción, Marco teórico, Desarrollo, Construcción y prueba, por último el correspondiente a las Conclusiones.
El capitulo introductorio trata la idea general del proyecto, introduce algunos conceptos sencillos y expone los objetivos de la tesis. El capitulo concerniente al Marco teórico está dedicado a la Anatomía y Fisiología del sistema nervioso periférico. Se detallan los aspectos mecánicos a considerar en el diseño del mecanismo y la metodología a seguir.
En el capítulo dedicado al Desarrollo se explica cómo se llegó al diseño conceptual del mecanismo, pasando por la generación de sus elementos y su correspondiente validación estructural. Se concluye con el rediseño del aparato mediante un proceso de optimización.
El capítulo concerniente a la Construcción y prueba expone el funcionamiento del mecanismo en un cuerpo. También se muestra su funcionamiento en un banco de pruebas donde se muestra la relación torque-tensión del aparato.
Por último en las Conclusiones se comentan los logros alcanzados con el trabajo, así como una semblanza de los trabajos a futuro.
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CAPITULO 2. MARCO TEÓRICO
En este capítulo se abordan básicamente los aspectos a considerar en el área de la medicina y de la ingeniería mecánica. En el lado de la medicina se hace una revisión de la anatomía y fisiología del sistema nervioso periférico, así como un panorama de los avances en el tratamiento de las lesiones en este último.
En la cuestión mecánica se discuten los aspectos de la biomecánica del sistema nervioso periférico y las herramientas a utilizar para el diseño del mecanismo.
INTRODUCCIÓN AL SISTEMA NERVIOSO
El sistema nervioso es el encargado de controlar nuestras funciones corporales, movimientos, sensaciones e incluso pensamientos, se trata de una red compleja de ramales de tejidos especializados, compuesta principalmente por las neuronas, dispuestas de tal manera que conducen señales electroquímicas dentro y hacia el resto de los tejidos del organismo, Figura 4.
El Sistema Nervioso se divide anatómicamente hablando en Sistema Nervioso Central (SNC) y Sistema Nervioso Periférico (SNP), como sigue (de izquierda a derecha) en la siguiente tabla, Tabla 3:
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Figura 4 Sistema nervioso
Tabla 3 Sistema nervioso
Sistema Nervioso Sistema Nervioso Central
Encéfalo Cerebro
Cerebelo
Tronco del encéfalo Médula espinal
Sistema Nervioso Periférico
Nervios craneales
Nervios espinales (también llamados raquídeos)
Una división funcional divide al Sistema Nervioso en relación al papel que cumplen las diferentes vías neurales, no importando el recorrido de éstas a través del SNC y/o SNP, Tabla 4:
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Tabla 4 Sistema nervioso somático y autónomo
Sistema nervioso somático (también llamado sistema nervioso de la vida de relación)
Formado por el conjunto de neuronas que regulan las funciones conscientes o voluntarias en el organismo.
Por ejemplo, el movimiento muscular.
Sistema nervioso autónomo (también llamado sistema nervioso vegetativo o incorrectamente sistema nervioso visceral)
Formado por el conjunto de neuronas que regulan las funciones inconscientes o involuntarias en el organismo.
Por ejemplo, la respiración, digestión, circulación.
Simpático
Parasimpático
NERVIOS
Los nervios están compuestos por un conjunto de fibras nerviosas llamadas axones agrupadas en fascículos que se mantienen unidos mediante tejido conectivo. Los nervios conducen los impulsos desde y hacia el encéfalo y la médula espinal; es decir el Sistema Nervioso Central (SNC). Así también el Sistema Nervioso Periférico (SNP) envía impulsos hacia y recibe impulsos del SNC, abarcando todo el cuerpo, de esta manera es posible la percepción consciente, las funciones autónomas, los movimientos voluntarios, al igual que los mensajes recibidos desde el cuerpo, Figura 5.
Figura 5 Nervio periférico
Los nervios raquídeos salen de la columna vertebral por medio de los agujeros intervertebrales (o de conjunción), para el caso de los pares craneales salen a través de las llamadas foraminas craneales. Ambos forman plexos a nivel de las extremidades (plexo sacro y plexo braquial) que en realidad son redes de nervios donde se entreveran unos con otros, por lo que los nervios de las extremidades están compuestos de fibras de diversos segmentos de la médula espinal.
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La neurona (Figura 6) como ya se había mencionado es la unidad anatómica del sistema nervioso, conformada principalmente por el cuerpo celular y sus distintas extensiones, especializadas para distintas funciones y que pueden ser muy largas.
Figura 6 Neurona motora típica
Las prolongaciones denominadas dendritas reciben impulsos, mientras que los axones los conducen fuera del cuerpo celular hacia otras neuronas, músculos o glándulas. Como se aprecia en la Figura 6 la neurona puede dividirse en tres secciones:
1) Porción receptora, compuesta por el cuerpo celular y las dendritas.
2) Porción conductora, axón.
3) Terminal del axón.
Tabla 5 Sistema nervioso autónomo
Sistema Nervioso Autónomo (SNA)
Se trata de un sistema compuesto de nervios y ganglios relacionado con la distribución de impulsos hacia y desde el corazón, músculo liso y glándulas.
Sistema simpático
Con conexiones en las regiones dorsal y lumbar de la médula espinal (D1 a L2 o L3).
Sistema parasimpático
Con conexiones al cerebro a través de los pares craneales III, VII, IX, y X; y con la médula espinal a través de los nervios raquídeos S2 a S4.
La Tabla 5 muestra la división del sistema nervioso autónomo.
CONSIDERACIONES BIOMECÁNICAS
La información existente en la literatura y patentes en relación a lo que se persigue en ésta trabajo no es directa, es decir, no hay precedentes en este tipo de desarrollos. Como se describe en las siguientes líneas, la información extraída proporciona más datos cualitativos que cuantitativos, que serán utilizados para entender los requerimientos en el diseño. Una premisa importante en el diseño de maquinaria es tener el conocimiento de
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los elementos de máquinas y mecanismos básicos para así poder apoyarse en estos. La revisión de patentes provee también la concepción de cosas que atienden a necesidades específicas, que igual y pueden adaptarse a otras situaciones.
Los autores (Tanoue, Yamaga, Ide, & Takagi, 1996) sugieren que puede ser inducida la inhibición del transporte axonal retrograda mediante un estiramiento agudo del nervio periférico, siendo la interrupción circulatoria la principal causa de ello.
En sus pruebas, utilizan nervios isquiáticos de ratas, los cuales someten a tres deformaciones distintas; una de control, en la cual no hay esfuerzo, la segunda con un valor de 6% y la tercera con 11%. No se encontraron diferencias significativas entre la primera y la segunda, pero en la tercera el índice de transporte axonal disminuye a un 43%. Algo semejante ocurre con el flujo sanguíneo, el cual se reduce a un 50%.
En su estudio (Driscoll, Glasby, & Lawson, 2002) sobre la tensión en nervios intactos in vivo y monitoreados fisiológicamente sugiere que la relajación al esfuerzo en nervios periféricos es independiente de la cantidad de deformación inicial, esto hasta una deformación del 16%. Mientras que el flujo de sangre del nervio es reducido tanto a una deformación del 8% y 16%, pero en la última es irreversible, de lo que se espera que existan más factores que una simple isquemia, también se ve afectada la velocidad de conducción del nervio.
De este estudio se confirma que el tejido nervioso es altamente visco-elástico, lo que conlleva a que el nervio expuesto a tensión con una deformación incrementada posee la capacidad de relajarse y reducir el esfuerzo en él. También el nervio puede adaptarse a un incremento gradual longitudinal si la razón del incremento es lo suficientemente lenta.
(Boyd, Puttlitz, Gan, & Topp, 2005) En su estudio encontraron datos significativos en cuanto a la deformación y la excursión proximal del nervio isquiático durante la flexión de la cadera, así como un incremento de estos valores durante la dorsiflexión. Las pruebas se realizaron tanto en nervios lesionados como en nervios sanos; los primeros mostraron un incremento del esfuerzo-deformación durante la flexión de la cadera (17.64%±14.12%; p=0.0091) y en la dorsiflexión (22.56% ± 15.47%; p=0.0091) con respecto a los segundos, a una semana de ser lesionados. Mientras que a las tres semanas los valores en ambos grupos se restablecieron. Se puede apreciar que en un nervio dañado a la semana de serlo su valor máximo de deformación excede los niveles previamente vistos para dañar su conducción y circulación.
Se han observado deformaciones máximas del orden del 15-21% en ratas vivas y eutanizadas, que están en el rango esperado basado en pruebas neurodinámicas de miembros superiores en cadáveres humanos. Por ejemplo, las deformaciones del nervio humanos medio y cubital se han registrado del 8-15% durante el rango completo del movimiento superior del miembro.
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Los nervios humanos se acomodan al movimiento del miembro donde se encuentran estirándose y deslizándose para permitir un cambio en la longitud de la lecho del nervio.
Mientras que los nervios sanos toleran la compresión y tensión relativamente bien, los nervios dañados o inflamados son extremadamente sensibles a los estímulos mecánicos y pueden llegar a provocar dolores agudos con el movimiento (Babbage, Coppieters, &
McGowan, 2007).
Los autores realizaron una serie de pruebas en las que el miembro del cuerpo (en este caso de un perro) es sometido a una sucesión de posiciones en las cuales se provoca un aumento en la tensión del nervio, estas posiciones son acordes con los movimientos naturales del miembro. Se obtuvo una gráfica de deformación contra la posición del miembro, que corresponde a una curva en la que se denota una clara disminución en la tasa de deformación entre mas retirado esté la articulación a manipular del punto de medición. Una explicación para esto es que las partes del miembro entre más retiradas estén contribuyen menos a la deformación total debido en parte a la oposición que ejercen las articulaciones.
Estudios in vitro demostraron que solamente una cantidad mínima de carga es requerida para alcanzar un estiramiento inicial, pero que una carga mayor es requerida para alcanzar un alargamiento adicional.
En sus pruebas (Abrams, Butler, Bodine-Fowler, & Botte, 1998) encontraron que nervios reparados (a nivel epineurial), fallan en el sitio de la neurorraphy cuando son evaluados a los siete días de esta, mientras que para los nervios reparados y de control con más de siete días parecen intactos a la falla. También encontraron que la deformación última no difirió entre los nervios de control y los experimentales en todo el rango de periodos de tiempo, lo que sugiere que la deformación es independiente del esfuerzo, que es una constante determinante de cuando un nervio llega a la ruptura.
Los autores reconocen la dificultad existente entre la interpolación de los datos de tensión en pruebas con ratas a humanos, incluso entre nervios de la misma especie existen diferencias en las propiedades tensiles debido a las diferentes composiciones de los elementos neurálgicos y conectivos. Por ejemplo, los nervios (digital) de humanos presentan una una carga última diez veces mayor a la de las ratas, a pesar de que los diámetros son semejantes. El perineurium es responsable de la resistencia al esfuerzo de tensión cuando un nervio es estirado, de esta manera el nervio isquiático de de la rata puede tener un número mucho más alto de fibras nerviosas y los nervio (digital) humanos pueden tener una densidad más alta de tejido conectivo.
Con respecto a la adhesión del nervio periférico a sus tejidos circundantes mediante diversas técnicas es interesante cómo la fibrosis contribuye a la disfunción del nervio periférico, algo que naturalmente se busca evitar (Abe, Doi, & Kawai, 2005)
La relación entre el esfuerzo-deformación y la perfusión en un nervio ciático bajo compresión circular cuasi estática resulta ventajosa en el diseño de neuroprótesis donde es necesario minimizar los efectos invasivos (Ming-Shaung, Chou-Ching, Jia-Lin, &
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Rung-Jian, 2006). En sus experimentos con conejos encontraron que la perfusión sanguínea comienza a decrecer cuando se llega a una deformación de 0.13 a cierta presión.
Experimentos en conejillos de india muestran una recuperación en las funciones del nervio periférico cuando éste es sometido a tensión, con ciertos valores razonables, 10%
de deformación (Li & Shi, Stretch-induced nerve conduction deficits in guinea pig ex vivo nerve, 2007).
La patente (VanBeek, Iversen, & Eastman, 1989) expone el método y el aparato para la expansión de tejido nervioso orientado a las cirugías plásticas reconstructivas. Tiene como propósito el estiramiento del nervio dañado lo que facilita su reconexión, operación y función después de la cirugía.
El aparato cuenta con una o más sillas donde se fija el nervio, estas están sobre un miembro inflable, al que se le inyecta a través de un puerto auto-sellante una solución salina que hará que dicho miembro se expanda y de esta manera se consiga el estiramiento del nervio, Figura 7Figura 7 Aparato para la expansión de tejido.
Figura 7 Aparato para la expansión de tejido
Las distintas configuraciones de aparatos que describe la patente (Kotsanis, 1984) son del tipo multipropósito, pueden ser activados de manera neumática e hidráulica, lo que los hace adecuados para diagnóstico y uso quirúrgico, lo que contribuye al cuidado del paciente, minimizando traumas y complicaciones, Figura 8.
Los aparatos cuentan con al menos un balón grado médico y un ensamble estabilizador que posiciona y fija el balón en un lumen (cavidad). Estos equipos cuentan con la capacidad de ser equipados con otros sistemas auxiliares tales como, circuitos bypass, retractores, sistemas multilentes, etc.
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Figura 8 Aparato multipropósito
La patente (Andersen & Strecker, 1994) trata de una prótesis tubular, porciones de sus paredes están entretejidas con un patrón interbloqueado ligeramente flojo formado con materiales hilados y entretejidos, el primer material es metálico y es el que define la forma tubular de la prótesis y mantiene la posición en el lumen (cavidad o pared). Un segundo material es tendido y depende de las características que se necesiten en la pared de la prótesis, Figura 9.
La prótesis es colocada mediante el uso de otro dispositivo (tal como un catéter), y es entonces expandida por medio de un globo, por ejemplo, enseguida se retiran los últimos dispositivos, y así se consigue estirar o contener la parte donde se colocó tal prótesis.
Figura 9 Mecanismo de soporte
Otras patentes, como la 4,669,474 tratan de mecanismos que sirven de soporte para la recuperación de nervios dañados, lo que implica una función estática por parte de dicho aparato.
La patente (Dellon & Mackinnon, 1989) ilustra un aparato similar al anterior, pero con materiales bio-absorbibles.
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DESARROLLO PREVIO CONCEPTUAL
CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA
En lo que se refiere a la configuración del sistema se cuenta con una desarrollada previamente por la Clínica Neurológica de Querétaro, la cual consiste en lo siguiente, el elongador mismo, un manipulador y el elemento que une éstos dos, el elemento de transmisión.
El funcionamiento de ésta configuración es muy sencillo, el manipulador se encarga de traducir un movimiento mecánico externo (como presionar un botón) en una acción a través del elemento de trransmisión hacia el elongador, el que a su vez tendrá que elongar el nervio de alguna forma. El siguiente diagrama ilustra lo anterior (Figura 10):
La distribución de los elementos mecánicos en el paciente es como sigue, el elongador obviamente se coloca en el alojamiento del nervio isquiático en la parte media del fémur, mientras que el manipulador es colocado en la cresta iliaca, y por último el elemento de transmisión une a los dos anteriores, todo esto, obviamente en el mismo lado del cuerpo, Figura 11.
Entrada Salida
Manipul ación externa
Elemento de Transmisión Elemento
Manipulad or
Elemento Elongador
Elongación del nervio
Elementos mecánicos
Figura 10 Diagrama de la configuración de elementos del sistema
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Figura 11 Modelado en 3D cadera-fémur
Las ventajas y desventajas de éste tipo de sistema son muy interesantes, las cuales deben analizarse y replantearse a lo largo del proceso de diseño, he aquí lo siguiente:
Ventajas:
El sistema al estar compuesto de tres elementos presenta la flexibilidad de probar varios elementos mecánicos, es decir, si uno de ellos ya probó ser el adecuado, el siguiente puede adaptarse al anterior.
Al contar con un elemento especializado para cada función en el sistema se logra aprovechar mejor los espacios de trabajo. Así, el elemento elongador será utilizado para elongar y almacenar al nervio, sin que sea necesario más elementos que disminuyan ésta capacidad. Lo que se busca también es ser lo menos invasivo.
Desventajas:
Indiscutiblemente lo que muchas veces se busca en un mecanismo es el mínimo de componentes para reducir sus posibilidades de falla. Un solo elemento mecánico en teoría sería más confiable.
Quirúrgicamente es más riesgoso proceder a efectuar la implantación de varios artefactos en el cuerpo humano, siendo necesarias más incisiones que se pueden complicar en infecciones y posteriormente en recuperaciones dolorosas.
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Por lo anterior, y como se verá a lo largo del desarrollo, se continuará con la configuración mencionada, ya que de momento, la segunda ventaja que se listó es la más crítica.
De ésta configuración la Clínica Neurológica de Querétaro había desarrollado ya los tres elementos mecánicos, sin embargo, todos presentaban deficiencias que los hacen inoperables. A continuación se hace una breve descripción de cada uno de ellos.
Elemento Manipulador
Figura 12 Fotografía del modelo construido como botonera
Consta propiamente de un conjunto de cuatro botones acoplados mediante bielas a un cigüeñal, el cual posee un engranaje hacia su salida para entregar la relación de giro adecuada, Figura 12 y Figura 13.
Su funcionamiento es relativamente sencillo, lo que complica su operación es la ejecución de sus cuatro botones, al estar éste mecanismo por debajo de la piel no es posible accionar un botón sin que los contiguos interfieran.
Figura 13 Diagrama de una variación de la botonera de tres botones
23 Elemento de transmisión
En su momento este elemento pudo ser integrado, las fallas están en los otros. Sus especificaciones se determinarían cuando el manipulador y el elongador estuviesen una vez bien definidos. A pesar de ello se estudio la posibilidad de utilizar un chicote comercialmente disponible, los resultados fueron poco convincentes, ya que tal elemento presentaba histéresis, es decir, que al trasmitir el torque requerido éste no conserva la rigidez necesaria para que el giro de entrada y el de salida fuesen lo más similar posible.
Elemento elongador
Figura 14 Fotografía del modelo construido como elongador, con sistema de transmisión por engranajes
Básicamente creado para elongar y almacenar el nervio. Para lograr lo anterior el mecanismo se vale de una serie de transmisiones mecánicas (engranajes), y tornillos, etc;
que hacen de éste aparato algo muy robusto que no puede ser implantado en un paciente.
A continuación se hace una descripción general de dicho aparato, Figura 14.
Accionado a través del torque que le transmite el chicote, en una primera etapa reparte el movimiento en dos direcciones, la primera directamente acoplado a un eje con cuerda que tiene la función de halar la parte media del mecanismo que acomoda al nervio, la otra dirección del movimiento es transmitido por el sinfín acoplado en la flecha principal, del sinfín pasa a una corona que en su eje se acopla a un par de engranajes que tienen como función proveer de movimiento al tambor que enrollará y almacenará al nervio. Todo el mecanismo funciona de tal manera que mientras el tambor gira se enrolla y acomoda el nervio.
Debido a la complejidad del mecanismo y a la cantidad de sus componentes, se abandonó dicho diseño. En lo subsecuente se propusieron varios modelos, como uno en base a poleas, que se abandonó más tarde. Otro sugería el uso de elementos expandibles como una especie de globo, que se abandonó debido a que requería un conducto externo.
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ESPECIFICACIONES DE DISEÑO
Tuvieron que replantearse varios de los requerimientos de diseño, a continuación se enlistan todos los requerimientos de diseño, con los cuales se concibió el modelo que más adelante se describe.
La función principal es la de elongar y almacenar de forma segura el nervio isquiático (considerando desde luego un nervio promedio de 1 cm de diámetro).
El mecanismo debe de contar con el mínimo de componentes.
Desde luego los materiales deben ser biocompatibles.
Debe alojarse sin problemas en la parte media del nervio isquiático.
Al momento de implantarse, debe de armarse lo más sencillo posible, ya que el nervio no debe ser alterado.
METODOLOGÍA DE DISEÑO MECÁNICO
El proceso de diseño mecánico es muy variado, dependiendo del problema que se desee atacar. Existe una gran cantidad de maneras para concebir, diseñar y producir desarrollos o productos para diferentes necesidades. A pesar de ello, se pueden reconocer y estructurar fases en el diseño (Shigley J. E.), a continuación se ilustra una, Figura 15:
Definición del problema Reconocimiento de la necesidad
Síntesis
Análisis y optimización
Evaluación
Presentación
Iteración
Figura 15 Fases en el diseño
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Otros autores (Ulrich & Eppinger, 2004) proponen el siguiente Diagrama de flujo para el proceso de desarrollo de producto en espiral, Figura 16:
Ambos presentan muchas semejanzas. Hablando de las consideraciones de diseño nos referimos a alguna o algunas características que son claves en el diseño del elemento o todo el sistema, por lo que deben considerarse muchas de éstas en una situación dada.
Características o consideraciones de diseño:
Resistencia/esfuerzo
Distorsión/deflexión/rigidez Desgaste
Corrosión Seguridad Confiabilidad Fricción
Facilidad de uso Utilidad
Costo
Procesamiento Peso
Vida Ruido
Estilo Forma Tamaño Control
Propiedades térmicas Superficie
Lubricación Comercialización Mantenimiento Volumen
Responsabilidad legal Desecho/Reciclado Características especiales Planeación
Desarrollo A nivel Sistema Desarrollo
Del Concepto
Construcción
Diseño Prueba Producción Piloto
Aprobación de misión Revisión del concepto Revisión del plan de ciclo
Muchos ciclos de iteración
1
1
Figura 16 Proceso de desarrollo de producto en espiral
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Biocompatibilidad podría ser incluida en las características especiales, que es determinado por el o los materiales utilizados, lo que también determina ciertos puntos anteriores como lo son el peso, volumen, etc.
ANÁLISIS POR ELEMENTO FINITO
El método de elemento finito (FEM: Finite Element Method, en inglés) es un método numérico para el análisis de diseños en ingeniería que es aceptado hoy en día como un método estándar, es de carácter general (problemas que involucran análisis de esfuerzos, transferencia de calor, electromagnetismo, mecánica de fluidos, etc.) y es ampliamente implementado en software especializado (Shigley, Budynas, & Nisbett, 2006). FEA (Finite Element Analysis, en inglés) es el término utilizado cuando se hace análisis mediante el uso del FEM.
El FEA es utilizado en las disciplinas de la ingeniería mecánica, en las industrias aeronáutica, automotriz y biomecánica, proveyendo análisis de rigidez y resistencia lo que se traduce en la reducción de costos al minimizar material y peso. Con la visualización de la distribución de esfuerzos y desplazamientos un diseño puede ser concebido, refinado y optimizado, aún antes de que se construya; esta flexibilidad permite reducir el tiempo en que un desarrollo pasa del concepto a un producto terminado. Los beneficios son muchos, como lo son el aumento en la exactitud, mejoramiento en la calidad, mejor comprensión de los parámetros críticos, reducción en tiempo y costo del ciclo de diseño al utilizar menos prototipos físicos por virtuales. En resumen, se consigue un aumento de la productividad y en las ganancias.
El FEM básicamente divide un modelo de complejidad variable en muchas piezas pequeñas y de formas simples, llamadas elementos, de esta manera el problema pasa de ser complejo a muchos problemas sencillos, pero que necesitan ser resueltos simultáneamente. Dicho proceso de dividir el modelo en elementos se conoce como mallado, Figura 17. Los elementos compartirán así puntos comunes llamados nodos.
Modelo de una pieza en CAD Modelo subdividido en elementos
Figura 17 FEA
Bajo todos los posibles escenarios de carga y soporte el comportamiento de los elementos está bien determinado. En cada punto de los elementos se puede interpolar su respuesta con la de los nodos, Figura 18. Dependiendo del tipo de análisis y del elemento un
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número único de parámetros describe en su totalidad cada nodo. Por ejemplo, se necesitan tres translaciones y tres rotaciones para describir la respuesta de un nodo en análisis estructurales, a estos parámetros se les llama grados de libertad (DOF, en inglés).
Figura 18 Elemento tetraédrico con los nodos en rojo
Existen varios paquetes informáticos que implementan el FEM, formulan las ecuaciones que gobiernan y determinan el comportamiento de cada elemento, así como las relaciones de conectividad con los otros. De datos conocidos como las propiedades del material, las restricciones y las cargas éstas ecuaciones las relacionan con las reacciones. Lo siguiente es que el software acomoda las ecuaciones en un gran conjunto de ecuaciones simultáneas y resuelve para las variables desconocidas. Por ejemplo, en un análisis de esfuerzos, el programa determinará en primera instancia los desplazamientos en cada nodo y a continuación calculará los esfuerzos y deformaciones.
Un procedimiento general para llevar dicho análisis de un modelo mediante el uso de software FEA consiste en una serie de pasos:
a) Definición del tipo de estudio. Ya sea que se trate de un estudio estático, modal, de pandeo, térmico, dinámico, de vibración, etc.
b) Definición de parámetros. Puede tratarse de valores para las fuerzas, propiedades del material, dimensiones, etc.
c) Definición de las propiedades del o los materiales. Dependiendo del estudio será necesario que el material o los materiales cuenten con ciertas propiedades definidas.
d) Aplicación de cargas y restricciones. Estas deben estar claramente definidas.
e) Definición de contactos entre elementos del modelo. Es necesario especificar el tipo de relación entre elementos en contacto o que en algún momento pudiesen estarlo.
f) Mallado del modelo. El conocimiento de cómo trabaja el software y las herramientas con las que cuente son claves para el análisis del modelo, muchas de las cuales determinan la exactitud de los resultados.
g) Otros escenarios de diseño. Estudios en los que se han variado algunos parámetros.
h) Ejecución del análisis. Dependiendo del tipo de análisis corresponderá un solucionador.
i) Revisión de los Resultados. Los resultados pueden visualizarse en varias formas, como contornos de colores sobre el modelo, tablas, listas, animaciones, etc., de las
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respectivas variables de salida (fuerzas, desplazamientos, deformaciones, esfuerzos, etc., para el caso de estudios estáticos).
j) Optimización. Proceso iterativo con el fin de conseguir valores aceptables en parámetros claves.
ANÁLISIS ESTÁTICO
Para que un análisis se considere estático lineal, se asume lo siguiente:
Las cargas son aplicadas lenta y gradualmente hasta alcanzar su valor máximo, una vez conseguido esto deben permanecer constantes (en magnitud, dirección, y distribución), de igual modo para retirarlas, debe hacerse lenta y gradualmente. De esta manera se pueden omitir fuerzas inerciales y de amortiguación debido a velocidades y aceleraciones despreciables. Para el caso en el que intervengan cargas dinámicas (cargas oscilatorias, de impactos, colisiones, cargas aleatorias, etc.) debe considerarse un estudio dinámico lineal o no-lineal dependiendo el caso, Figura 19.
Linealidad. La relación es lineal entre las cargas y las reacciones inducidas. Así, que los materiales en el modelo se describen mediante la ley de Hooke, que establece que los esfuerzos son directamente proporcionales a las deformaciones, Figura 20. Los desplazamientos inducidos por la carga deben de ser lo suficientemente pequeños para ignorar cambios en la rigidez. Las condiciones de frontera permanecen invariantes durante la aplicación de las cargas.
Figura 19 Análisis estático lineal y no-lineal
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Figura 20 Propiedades mecánicas básicas