La biomecánica y su aplicación en las prótesis

Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales Departamento de Ingeniería Mecánica Biomecánica

La biomecánica y su aplicación en las prótesis

Carlos Baldasquín Cáceres Ingeniero Industrial

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Índice Introducción……………………………………………………………………………………………………………….3 Historia de la biomecánica……………………………………………………………………………………….8 Aplicaciones de la biomecánica……………………………………………………………………………..24 Física y biología del cuerpo humano en el trabajo…………………………………………….30 Metodología………………………………………………………………………………………………………………38 Tecnología biomecánica………………………………………………………………………………………….46 Principales herramientas de análisis biomecánico…………………………………………….67 Las primeras prótesis………………………………………………………………………………………………71 Prótesis parciales de pie, Syme, desarticulación de la rodilla y bilaterales.78 Biomecánica de las prótesis pro debajo de la rodilla……………………………………...87 Prótesis de cadera………………………………………………………………………………………………….101 Prótesis de hombro……………………………………………………………………………………………....106 Mano biónica……………………………………………………………………………………………………………113 Desarrollo de órganos Artificiales……………………………………………………………………121 Conclusiones…………………………………………………………………………………………………………….133 Bibliografía y enlaces de las páginas Web……………………………………………………….136

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Introducción ● Biomecánica La biomecánica es una disciplina científica que tiene por objeto el estudio de las estructuras de carácter mecánico que existen en los seres vivos, fundamentalmente del cuerpo humano. Esta área de conocimiento se apoya en diversas ciencias biomédicas, utilizando los conocimientos de la mecánica, la ingeniería, la anatomía, la fisiología y otras disciplinas, para estudiar el comportamiento del cuerpo humano y resolver los problemas derivados de las diversas condiciones a las que puede verse sometido. La biomecánica está íntimamente ligada a la biónica y usa algunos de sus principios ha tenido un gran desarrollo en relación con las aplicaciones de la ingeniería a la medicina, la bioquímica y el medio ambiente, tanto a través de modelos matemáticos para el conocimiento de los sistemas biológicos como en lo que respecta a la realización de partes u órganos del cuerpo humano y también en la utilización de nuevos métodos diagnósticos. Una gran variedad de aplicaciones incorporadas a la práctica médica; desde la clásica pata de palo, a las sofisticadas ortopedias con mando mioeléctrico y de las válvulas cardiacas a los modernos marcapasos existe toda una tradición e implantación de prótesis.

La anatomía nos muestra, en reposo y en un momento dado, las formas de un proceso fisiológico y la biomecánica nos permite comprender cómo actúan las fuerzas internas y externas sobre estas estructuras. Desde un punto de vista práctico y para su utilización diaria necesitamos recoger estos conocimientos hallados por la investigación experimental y trasladarlos a la clínica para interpretar mejor la patología y sus posibles tratamientos. Por ello denominamos biomecánica clínica el estudio de las patologías del aparato locomotor y sus tratamientos, a través del conocimiento de su biomecánica.

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Es evidente que no todas las enfermedades ortopédicas se puedan abordar con un enfoque mecanicista y debemos excluir las enfermedades inflamatorias desde un punto de vista etiológico, pero no en cuanto a muchos de sus tratamientos, al igual que las reconstrucciones después de la cirugía tumoral o después de las infecciones. Por lo tanto muchas de las afecciones del aparato locomotor pueden enfocarse con bases mecánicas. Para acceder a estas interpretaciones debemos conocer la biomecánica de los tejidos, de las articulaciones y de los movimientos básicos como las posturas y la marcha.

Hoy en día es posible aplicar con éxito, en los procesos que intervienen en la regulación de los sistemas modelos matemáticos que permiten simular fenómenos muy complejos en potentes ordenadores, con el control de un gran número de parámetros o con la repetición de su comportamiento. La biomecánica se estableció como disciplina reconocida y como área de investigación autónoma en la segunda mitad del siglo XX en gran parte gracias a los trabajos de Y. C. Fung cuyas investigaciones a lo largo de cuatro décadas marcaron en gran parte los temas de interés en cada momento de esta disciplina. La biomecánica es, por tanto, un área tecnológica cuyo objeto es analizar desde el punto de vista de la ingeniería, los mecanismos de todo tipo utilizados pro la naturaleza en los seres vivos, asume que el cuerpo human ose comporta de acuerdo con las leyes mecánicas newtonianas.

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No se considera al cuerpo como una máquina pero se acepta que la estructura óseomuscular si se comporta como un sistema mecánico en el cual las fuerzas y cargas aplicadas pueden cuantificarse. Está muy relacionada con la bioingeniería cuyos logros están orientados a la biología humana, como e l diseño y fabricación de prótesis óseas, marcapasos, riñón artificial, instrumental clínico y quirúrgico, etc. Es un campo activo de investigación y desarrollo que cubre ámbitos de aplicación cada vez más amplios y tiene una frontera común con la robótica, donde por ejemplo, muchos manipuladores tienden a sustituir o reforzar los mecanismos humanos. Al igual que la ergonomía es multidisciplinar por propia naturaleza, la mecánica, anatomía, biología, química, electricidad se entrelazan para proponer métodos de intervención artificial en el ser humano.

● Biónica La biónica es la aplicación del estudio de soluciones biológicas a la técnica de los sistemas de arquitectura, ingeniería y tecnología moderna. Etimológicamente, la palabra viene del griego "bios"; que significa vida y el sufijo "ico" que significa "relativo a". Asimismo, existe la ingeniería biónica que abarca varias disciplinas con el objetivo de concatenar (hacer trabajar juntos) sistemas biológicos, por ejemplo para crear prótesis activadas por los nervios, robots controlados por una señal biológica o también crear modelos artificiales de cosas que solo existen en la naturaleza, por ejemplo la visión artificial y la inteligencia artificial también llamada cibernética. Se podría decir, la biónica es aquella rama de la cibernética que trata de simular el comportamiento de los seres vivos haciéndolos mejores en casi todas las ramas por medio de instrumentos mecánicos. Los seres vivos son máquinas complejas, dotadas de una gran variedad de instrumentos de medición, de análisis, de recepción de estímulos y de reacción y respuesta, esto es gracias a los cinco sentidos que hemos desarrollado. Crear máquinas que se comporten

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como cerebros humanos, capacitadas para observar un comportamiento inteligente y aprender de él, es parte del campo de la investigación de la robótica y la inteligencia artificial (IA). Dentro de ese comportamiento inteligente se encuentran tanto las actividades relacionadas con el raciocinio, es decir, estrategia y planeamiento, como con la percepción y reconocimiento de imágenes, colores, sonidos, etc. La biónica ha existido desde el principio de la historia del ser humano, la hemos usado desde la prehistoria hasta nuestros días con la creación de Herramientas o de artefactos que ayudan al ser humano a desempeñarse mejor en su ambiente. No fue hasta 1960 cuando hubo una definición concreta del término que sigue siendo válida hoy en día y que acuñó el comandante Jack Steele, de la U.S. Air Force. Leonardo Da Vinci aplicó sus estudios de la naturaleza a prácticamente todos sus diseños, empezando por el ornitóptero, un artilugio volador con alas batientes realizado a partir de un estudio anatómico de los pájaros. Se inspiró en diversos mecanismos naturales para llevar acabo sus símiles artificiales, como los rudimentos de un primer aeroplano, que tiene mucha similitud con las alas de un murciélago, y del cual existe un boceto, además de algunos escritos donde detalla sus observaciones de aves y algunos otros animales voladores.

Existen muchísimos inventos modernos que están inspirados en modelos biológicos, tenemos el caso del Radar que se inspira en la ecolocalización que tienen los murciélagos para no chocar en la oscuridad, o el velcro (las cintas que usamos para sujetar las ropas o zapatos) el cual está basado en aquellas plantas que se adhieren a las ropas por medio de ganchillos, o el traje de cuerpo completo de los nadadores de competencia, el cual disminuye la fricción con el agua aumentando la velocidad y que es muy parecido a la piel que cubre a los delfines. También tenemos una gran cantidad de ejemplos desarrollados por distintas Universidades que están inspirados en serpientes, arañas, cucarachas, peces e incluso en humanos.

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Las características de los sistemas biológicos son su miniaturización, su sensibilidad, su alto grado de flexibilidad, su capacidad para adaptarse a entornos variables, y su alto grado de fiabilidad.

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Historia de la biomecánica Por siglos, el hombre ha mostrado fascinación por la arquitectura, el estilo, la forma y composición de su cuerpo. La búsqueda por entender la anatomía del cuerpo humano ha creado disciplinas muy especializadas y, con ello, la producción y desarrollo de herramientas científicas, cuya función principal es ayudar a descifrar el enigma que constituye el funcionamiento del mismo. La biomecánica se origina en la antigüedad con autores como Aristóteles y en la edad media con autores como Leonardo da Vinci, entre otros. Sin duda, las diferentes manifestaciones artísticas, así como el deporte, han sido la inquietud que ha potenciado el estudio de las posturas y del movimiento. Estas dos actitudes las encontramos íntimamente unidas en la Grecia antigua. Las representaciones artísticas en movimiento de los atletas fueron una fuente de conocimiento para aquella época y las posteriores, y demostraban un interés por el movimiento humano. Para ello se requerían unos importantes conocimientos de la anatomía superficial del cuerpo humano. La matemática de Pitágoras (alrededor del 582 a.C.) planteaba que todas las formas pueden ser definidas por números y que el universo y el cuerpo eran como un instrumento musical cuyas cuerdas requieren equilibrio y tensión para producir armonía. Las relaciones matemáticas son las que contienen los secretos del universo. En medicina, Hipócrates (460- 370 a. C) enuncia el principio de causalidad, la casualidad no existe, ya que cada cosa existe por alguna razón. Según él la observación está basada totalmente en percepciones y los errores diagnósticos se admiten, pero debe analizarse. Fue el pionero de la utilización del razonamiento científico con fundamento en la observación y la experiencia. La filosofía de Aristóteles (384-322 a.C.), por la cual el conocimiento de la naturaleza se realiza mediante la observación, no era totalmente científica, ya que no incluía la verificación, pero insistía en que todo movimiento debe relacionase con un motor, de forma directa o indirecta, puesto que la acción a distancia es inconcebible. Su obra acerca del movimiento de los animales describe por primera vez el movimiento y la locomoción, un análisis científico de la marcha y un primer análisis geométrico de la acción muscular, así como la fuerza de reacción del suelo.

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Herófilo de Calcedonia (c. 335-280 a.C.) es considerado el padre de la anatomía científica ya que fue el primero en practicar sistemáticamente la disección del cuerpo humano, en criminales, para arribar a descripciones anatómicas y fundamentar sus deducciones fisiológicas. Así, reconoció el cerebro como director del sistema nervioso, y sus estudios se extendieron a los ojos, el hígado, el páncreas y los órganos genitales. Fue el primero en comprobar que las arterias contenían sangre y no aire, pero este descubrimiento no trasciende y la teoría de los humores y el pneuma de la vida se extienden durante siglos.

Arquímedes (287- 212 a.C.) pensó que podría moverse la tierra si se usaran complejas poleas y palancas, y utilizó métodos geométricos para medir curvas y el área y el volumen de cuerpos sólidos. Además de su famoso tratado sobre la flotabilidad de los cuerpos, enseñó cómo encontrar el centro de gravedad en estructuras planas o parabólicas, con lo cual sentaba las bases de la mecánica racional.

Galeno (131-201 d.C.) fue médico de colegio de gladiadores a los 28 años y, como dice Nigg (1994), sería el primer médico deportivo de la historia, pero lo cierto es que estudió el cuerpo humano y sus movimientos. Escribió una interesante obra (De motu musculorum) sobre los músculos, sus partes y su funcionamiento. Diferencia entre músculos agonistas y antagonistas y entre nervios motores y sensitivos. Apasionado pop el auge de las matemáticas de su tiempo intenta hacer de la medicina una ciencia exacta sobre la base de descripciones precisas y buscando correlaciones entre causa y efecto. Lamentablemente, como no le gustaba la disección de seres humanos, sólo la realizó en animales.

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Durante el largo periodo de la Edad Media (Edad Oscura) existen pocas aportaciones a la biomecánica salvo la utilización de sistemas mecánicos para la corrección de las deformidades, como hiciera Guy de Chauliac (1360), quien utilizó armaduras para corregir desviaciones de la columna.

Con el Renacimiento surgen interesantes figuras como la de Leonardo Da Vinci y Vesalio, Leonardo empezó como aprendiz del pintor Verrochio, faceta que utilizaría posteriormente para mejor plasmar y transmitir sus ideas y conocimientos enciclopédicos (hoy lo llamaríamos un buen comunicador). Da Vinci fue sobre todo un ingeniero civil y militar, y contribuyó al conocimiento de la mecánica de su tiempo, describió el paralelogramo de fuerzas, definió la diferencia entre fuerzas simples y compuestas, estudió la fricción, relacionó fuerza, peso y velocidad, y preparó la tercera ley de Newton en sus estudio sobre el vuelo de los pájaros. Estudió anatomía a escondidas y utilizó su excepcional habilidad como pintor para dejarnos una bella colección de descripciones anatómicas. Entendió perfectamente que las articulaciones en bola (enartrosis) como el hombro y la cadera poseen movimientos universales y que los músculos con sus inserciones relativas pueden realizar varios tipos

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de movimiento. Asimismo esquematizó la acción de los músculos cómo líneas de fuerzas siguiendo sus fibras dominantes.

Vesalio (1514-1564) recibió educación en medicina y fue un anatomista metódico sobre cadáveres de ajusticiados. En la época en que Copérnico publica su obra fundamental De revolutionibus orbiun coelestium sobre el heliocentrismo, Vesalio también revoluciona la anatomía con su De Humani corporis fabrica. Demostró que durante la contracción el músculo se acorta y aumenta de grosor, y planteó discrepancias con las descripciones anatómicas de Galeno.

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La revolución científica del siglo XVII gira alrededor de pensadores que utilizaron el análisis científico de la naturaleza (Galileo, Kepler, Descartes y Newton). En este ambiente surge un personaje poco conocido, Giovanni Alfonso Borrelli (1608-1679), llamado el padre de la biomecánica, quien realizó investigaciones apoyadas económicamente por la reina Cristina de Suecia, que residía en Roma. Borelli fue profesor de matemáticas en Pisa y trabajó junto a Malpihi, profesor de medicina. Este constituye un buen ejemplo de colaboración científica entre diversas áreas de conocimiento tal como hoy día se están realizando. La obra de Borelli De motu animalium (1680), integra la fisiología y la física (yatrofísica), y demuestra mediante métodos geométricos los movimientos humanos como correr, saltar y nadar, y la influencia de la dirección de las fibras musculares sobre el movimiento resultante de su contracción. Reconoce que los músculos trabajan con brazos de palanca muy cortos y compensan el peso del cuerpo provocando, a nivel articular, presiones muy superiores al propio peso del cuerpo. De hecho, y tal como señala Maquet la balanza de Pauwels, ya quedó definida antes de 1680.

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Posiblemente fue Borelli el primero en determinar de forma experimental el centro de gravedad humano colocando al individuo sobre una tabla que se balanceaba. Observó también que durante la marcha se describen ondulaciones con la pelvis tanto lateralmente como en un plano transversal. En la segunda parte de su obra estudia mediante la mecánica de fluidos la circulación de la sangre, apoyando la teoría de Harvey, así como la respiración, llegando a construir un espirómetro con el fin de medir el volumen de aire inhalado y calcular la capacidad torácica.

Newton (1642-1727) analiza los trabajos de Galileo, Kepler y Descartes, y pone orden entre ideas contradictorias planteando sus tres leyes (ley de la inercia, ley de la aceleración, ley de la acción y reacción) y posteriormente la ley de gravedad, con lo cual todos los movimientos de la naturaleza se pueden describir o predecir. La segunda ley es un instrumento fundamental para el análisis de los movimientos cinético y cinemática. La cinemática analiza el grado de movilidad o rango de movimiento de un cuerpo o una articulación, la cinética de las fuerzas que actúan sobre él o las fuerzas que el movimiento genera.

Durante la segunda mitad del siglo XVIII, con el interés de la actividad física y su estudio, se entra formalmente en el estudio de los movimientos con los hermanos Eduard y Wilhelm Weber y posteriormente con la enorme dedicación de E.J. Marey (1838-1904), quién aprovecha el reciente invento de la fotografía. Este investigador, con apoyo del gobierno Francés, dispuso de un laboratorio (station physiologique) con una pista circular de marcha donde se podría estudiar a niños y adultos durante el deporte o el trabajo mediante métodos cinematográficos, lo que le permitió el análisis del movimiento fotograma a fotograma. La aportación de Marey en Francia, junto a la Muybridge en California, fue muy importante en el análisis de los movimientos tanto de los seres humanos como de los animales. Muybridge también dispuso de financiación por parte de un gran aficionado a la equitación y realizó una interesante investigación fotográfica, con más de 20.000 imágenes, estudiando el movimiento relativo de los diferentes segmentos corporales.

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Braune y Fisher inician en 1891 el estudio tridimensional de la marcha humana (realizando fotografías simultáneas con cuatro cámaras), determinando el centro de gravedad y el momento de inercia de los cuerpos. El arduo análisis de imágenes, que costó 7 años, se realiza el la actualidad mediante métodos informáticos en horas o incluso en minutos. Unos años antes el anatomista von Meyer (1867) había estudiado las trabéculas de muchos huesos y analizado sus trayectorias, en especial las de la parte proximal del fémur. Coincidió con Kart Culmann (1821- 1881), matemático de Zurich, que había diseñado un nuevo modelo de grúa mecánica, similar a las trabéculas del fémur. Wolf (1892), siguiendo a Meyer y Culman, observa que la organización del hueso esponjoso sigue las trayectorias de las principales fuerzas de compresión o tracción que sufre normalmente el hueso y sugiere que cualquier que cualquier modificación de las presiones que recibe el hueso comporta una reorientación de sus trabéculas según aquellas de presión. Pauwels (1885-1980) marca un punto de inflexión entrando de lleno en los aspectos clínicos de la biomecánica del aparato locomotor y deja una extensa obra. Demuestra que, a través de la adaptación funcional, el aparato locomotor del hombre está construido con el mínimo material y la máxima resistencia a las sobrecargas. 14

En 1935 enuncia que el las fracturas del cuello del fémur, consideradas incurables, se deben cambiar las fuerzas de cizallameiento por las de compresión para lograr la consolidación de la fractura, basándose en un esquema mecánico de balanza de fuerzas. Interpreta que la artrosis es el colapso del equilibrio fisiológico entre las presiones sobre el cartílago articular y la resistencia de éste. Pauwels aparece como el fundador de la biomecánica moderna que abarca el estudio de las cargas mecánicas sobre el tejido vivos, las repuestas biológicas a estas presiones y la modificación de estas fuerzas para que tengan efectos terapéuticos. Las dos guerras mundiales influyeron en los avances mecánicos y tecnológicos, y los nuevos materiales, la aparición de materiales compatibles con el cuerpo (biomateriales) y las nuevas tecnologías han permitido avanzar en biomecánica, pero singularmente la aplicación de sistemas de captación y cálculo de datos, que ha tenido como consecuencia el seguimiento de la subespecialidad de bioingeniería. Ha sido fundamental la formación de equipos multidisciplinarios entre médicos (anatomistas, fisiólogos, cirujanos del aparato locomotor), ingenieros, ergónomos y fisioterapeutas con el fin de afrontar juntamente, mediante distintas ópticas y métodos, los problemas mecánicos del cuerpo humano y concretamente los del aparato locomotor. Pero toda esta acumulación de datos que se produce a una velocidad enorme requiere una traducción a la realidad diaria, siendo esto lo que pretende la biomecánica clínica, si bien aceptando que biomecánica hay una: “El análisis formal y cuantitativo de las relaciones entre la estructura y la función de los tejidos vivos y la aplicación de los resultados en el ser humano sano y enfermo.

La Biomecánica tomó un gran auge a partir de 1900, cuando hubo una reestructuración de los juegos olímpicos. Fue de gran importancia a la hora de perfeccionar las acciones motrices que favorecieran el desarrollo de la técnica deportiva. En los juegos olímpicos siempre se impone la mejor marca. Existían entonces 2 paradigmas: Empírico y Racional. Desde lo racional la biomecánica tomaba una gran importancia en mejorar esas marcas. Las ciencias del deporte descubrieron que mediante el estudio y aplicación de la biomecánica se alcanzarían mejores niveles en los juegos olímpicos. Por esta razón, la mayor parte de países vieron en esta ciencia un mecanismo para la explotación de marcas y la técnica deportiva. En el año de 1931, antes de la segunda guerra mundial, la biomecánica dio un gran paso, pues empezó a tratarse como tema de discusión en congresos y seminarios en diferentes países del mundo. Después de la segunda guerra mundial la biomecánica tomó tal importancia que crecieron poderosamente las investigaciones sobre esta ciencia y muchos países – socialistas y capitalistas- se vincularon a este tipo de investigaciones para hacer de la biomecánica una ciencia con argumentos. 15

Circulación sanguínea Uno de los primeros problemas abordados por el enfoque biomecánico moderno, resultó ser el intento de aplicar las ecuaciones de Navier-Stokes a la compresión del riego sanguíneo. Aunque usualmente se considera a la sangre como un fluido newtoniano incompresible, esta modelización falla cuando se considera el flujo sanguíneo en las arteriolas o capilares. A la escala de esas conducciones, los efectos del tamaño finito de las células sanguíneas o eritrocitos individuales son signitivativos, y la sangre no puede ser modelada como un medio continuo. Cuando el diámetro del vaso sanguíneo es ligeramente mayor que el diámetro del erotrocito, entonces aparece el efecto Fahraeus–Lindquist y existe una disminución en la tensión tangente al vaso. Así a medida que el diámetro del vaso sanguíneo disminuye, los glóbulos rojos tienen que aplastarse a lo largo del vaso y frecuentemente sólo pueden pasar de uno en uno. En este caso, se da un efecto Fahraeus–Lindquist inverso y la tensión tangencial del vaso se incrementa.

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Huesos Otro desarrollo importante de la biomecánica fue la búsqueda de ecuaciones constitutivas que modelaran adecuadamente las propiedades mecánicas de los huesos. Mecánicamente los huesos son estructuras mecánicas anisótropas, más exactamente tienen propiedades diferentes en las direcciones longitudinales y transversales. Aunque sí son transversalmente isótropos, no son globalmente isótropos. Los huesos responden a las fuerzas aplicadas sobre su superficie siguiendo un patrón característico. La primera fase es elástica y depende de la rigidez del hueso. En esta fase, la deformación es temporal y se mantiene solo durante el tiempo de aplicación de la fuerza tras lo cual, el hueso recupera su forma original. Si la fuerza aumenta, se entra en una fase plástica y el hueso, aunque se recupera parcialmente, queda deformado. Por último cuando la fuerza aplicada es superior a la resistencia del tejido se produce la fractura La respuesta de tejido óseo frente a las fuerzas que se aplican sobre su superficie dependerá del tipo de fuerza, del tipo de hueso, así como de la densidad, arquitectura y composición del tejido óseo. Las fuerzas que pueden actuar sobre el tejido óseo son de tres tipos tensión, compresión y torsión. Además pueden ser aplicadas de forma perpendicular a la superficie ósea (fuerza normal) o de forma oblicua (fuerza de cizallamiento). Las relaciones de tensión-deformación en los huesos pueden ser modelados usando una generalización de la ley de Hooke, para materiales ortotrópicos:

Donde que son función de:

, existiendo sólo cinco constantes independientes

, los módulos de Young en dirección longitudinal y transversal. , los dos coeficientes de Poisson. , el módulo de elasticidad transversal. Los huesos largos, formados fundamentalmente por tejido óseo compacto o cortical, son elásticos y poco plásticos. En estos huesos, la resistencia será mayor cuando la fuerza se aplica de forma vertical al sentido de la carga. Cuando la fuerza se aplica de forma oblicua la fase plástica se acorta y el hueso se fractura con más rapidez. En los huesos integrados por tejido óseo esponjoso, la resistencia es mayor cuando la fuerza se aplica a lo largo del eje vertical de las trabéculas vertebrales y también cuando es paralela a los sistemas trabeculares del cuello femoral. Estos huesos, al ser menos densos que los formados por tejido óseo cortical, son menos elásticos y más plásticos, por lo que pueden presentar deformaciones mayores. Así mientras que en los huesos integrados por tejido esponjoso, las fracturas se producen cuando existen variaciones del 7% de su

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longitud, en los integrados por tejido compacto, las fracturas se producen con variaciones del 2%.

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Tejido muscular Existen tres tipos de músculo: 

Músculo liso (no estriado): El estómago, el sistema vascular, y la mayor parte del tracto digestivo están formados por músculo liso. Este tipo de músculo se mueve involuntariamente.

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Músculo miocardíaco (estriado): Los cardiomiocitos son un tipo altamente especializado de célula. Estas células se contraen involuntariamente y están situadas en la pared del corazón, actúan conjuntamente para producir latidos sincronizados.

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Músculo esquelético (estriado): Es un músculo que desarrolla un esfuerzo sostenido y generalmente voluntario. Un modelo ampliamente usado para este tipo de músculo, es la ecuación de Hill que puede simular adecuadamente el tétanos:

Donde: , es la tensión o cargas del músculo. , la velocidad de contracción. , es la máxima carga o tensión que se puede producir en el músculo. , son dos constantes que caracterizan el músculo. Esta ecuación puede describirse en términos de la tensión y la velocidad de deformación como:

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Tejidos blandos Durante la década de 1970, varios investigadores que trabajaban en biomecánica iniciaron un programa de caracterización de las propiedades mecánicas de los tejidos blandos, buscando ecuaciones constitutivas fenomenológicas para su comportamiento mecánico. Los primeros trabajos se concentraron en tejidos blandos como los tendones, los ligamentos y el cartílago son combinaciones de una matriz de proteínas y un fluido. En cada uno de estos tejidos el principal elemento portante es el colágeno, aunque la cantidad y la calidad del colágeno varían de acuerdo con la función que cada tejido realiza: 

La función de los tendones es conectar el músculo con el hueso y está sujeto a cargas de tracción. Los tendones deben ser fuertes para facilitar el movimiento del cuerpo, pero al mismo tiempo ser flexibles para prevenir el daño a los tejidos musculares.

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Los ligamentos conectan los huesos entre sí, y por tanto son más rígidos que los tendones.

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El cartílago, por otro lado, está solicitado primariamente con compresión y actúa como almohadillado en las articulaciones para distribuir las cargas entre los huesos. La capacidad resistente del cartílago en compresión se deriva principalmente del colágeno, como en tendones y ligamentos, aunque en este tejido el colágeno tiene una configuración anudada, soportada por uniones de cruce de gicosaminoglicanos que también permiten alojar agua para crear un tejido prácticamente incompresible capaz de soportar esfuerzos de compresión adecuadamente.

Más recientemente, se han desarrollado modelos biomecánicos para otros tejidos blandos como la piel y los órganos internos. Este interés ha sido promovido por la necesidad de realismo en las simulaciones de interés médico. En los últimos años el desarrollo de la computadora y de programas cada vez más sofisticados han permitido la creación de modelos del cuerpo humano cada vez más complejos con nuevas técnicas para la animación basada en tecnología de sensores magnéticos y guantes-datos VR. Dos clases de aplicaciones pueden ser realizadas, la primera, aplicación en tiempo real utilizando la captura del movimiento y reproduciendo dicho movimiento en un ambiente virtual; y la segunda, el registro de gestos y acciones motoras que demandan más esfuerzo computacional. Por último se hace necesario aclarar que los modelos matemáticos son los más usados y para su utilización es necesario tener en cuenta los parámetros de los segmentos del cuerpo humano, que han sido investigados por varios científicos, ya no sería posible entonces la aplicación de la mecánica de Newton al movimiento del hombre.

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Aplicaciones de la biomecánica La Biomecánica está presente en diversos ámbitos, aunque tres de ellos son los más destacados en la actualidad: ● La biomecánica médica, evalúa las patologías que aquejan al hombre para generar soluciones capaces de evaluarlas, repararlas o paliarlas; mediante técnicas de análisis del movimiento, músculo esquelético de tejidos, cardiaco, vascular y respiratorio, y desarrollando biomateriales.

Predice el comportamiento del cuerpo humano ante acciones mecánicas exteriores, refuerza y optimiza artificialmente el cuerpo humano en su comportamiento y desempeño y sustituye partes del cuerpo humano para garantizar su eficacia mecánica. También permite la rehabilitación de personas con problemas en el desplazamiento Los estudios más recientes de la biomecánica se concentran en el diseño de productos que siguen los planteamientos de la ergonomía, la antropometría y las condiciones generales de salud. Un aspecto importante es la fabricación de calzado especializado para niños, deportistas…Hay que tener una serie de consideraciones al desarrollar un calzado biomecánico. En un día se promedian unas fuerzas de cientos de toneladas sobre los pies que están expuestos a más lesiones que otra parte del cuerpo. El calzado debe ser diseñado de acuerdo con las actividades de locomoción que se lleven a cabo, un calzado deportivo para el atletismo será diferente a un calzado para tenis; también dependerá del género o edad de los usuarios.

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● La biomecánica deportiva, analiza la práctica deportiva para mejorar su rendimiento, desarrollar técnicas de entrenamiento y diseñar complementos, materiales y equipamiento de altas prestaciones. El objetivo general de la investigación biomecánica deportiva es desarrollar una comprensión detallada de los deportes mecánicos específicos y sus variables de desempeño para mejorar el rendimiento y reducir la incidencia de lesiones. Esto se traduce en la investigación de las técnicas específicas del deporte, diseñar mejor el equipo deportivo, vestuario, y de identificar las prácticas que predisponen a una lesión. Ganar una medalla o establecer un récord en cualquier deporte depende generalmente de la adecuada aplicación de una técnica donde la participación conjunta de los grupos musculares del atleta marca la diferencia al momento de obtener un resultado. En el deporte intervienen factores importantes para determinar la correcta ejecución de un movimiento. Para conocer qué tipo de sustancias se secretan al poner nuestros músculos en movimiento y las cantidades necesarias para lograrlo, así como diversos aspectos del funcionamiento del cuerpo humano y sus reacciones ante los impulsos de la mente, requerimos de una ciencia que nos aporte esta información, que es la biología. “Pero si a los conocimientos biológicos se suman la metodología y los principios de la física, podemos realizar un estudio todavía con más detalle. La biomecánica ofrece un abanico de aplicaciones muy amplio. En los niveles molecular y celular, estudia desde la oscilación de los flagelos hasta la movilidad de un microorganismo; en un nivel de mayor complejidad biológica, analiza la biomecánica de los tejidos y órganos hasta llegar al organismo completo.

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No es una interdisciplina en el sentido de la intersección de varias ciencias (mecánica, anatomía, fisiología, ingeniería) sino una transdisciplina en cuanto que es una integración original de éstas en una nueva categoría conceptual y práctica La preparación de los actuales deportistas de alto rendimiento no se concibe sin un conocimiento profundo del movimiento fundamentado en la biomecánica deportiva. En los últimos decenios se ha incrementado considerablemente su enseñanza. En un amplio frente se llevan a cabo investigaciones sobre las técnicas al nivel más alto de la calificación deportiva y de la construcción de equipos especiales de entrenamiento. Para describir un movimiento como saltar, correr, lanzar, se requiere determinar la fuerza neta, y sus componentes necesarias, las cuales se dividen en externa (la gravedad) e interna (fuerza muscular del ser humano). la posición del centro de gravedad afecta al movimiento, y es por ello que los entrenadores deportivos deben saber cómo encontrarlo, cómo manejarlo. En el deporte, la biomecánica ha sido de gran utilidad, ya que no sólo ha dado a conocer las condiciones físicas para que el cuerpo realice mejor algunos movimientos, sino también para crear aditamentos que los faciliten o protejan las partes del cuerpo más expuestas; por ejemplo, los diferentes tipos de calzado que hacen más fáciles o seguras las prácticas deportivas. Dada la creciente complejidad de la formación y el desempeño en todos los niveles del deporte de competencia, no es de extrañar que los atletas y entrenadores estén recurriendo en la literatura de investigación sobre la biomecánica aspectos de su deporte para una ventaja competitiva.

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● La biomecánica ocupacional, estudia la interacción del cuerpo humano con los elementos con que se relaciona en diversos ámbitos (en el trabajo, en casa, en la conducción de automóviles, en el manejo de herramientas, etc.) para adaptarlos a sus necesidades y capacidades. En este ámbito se relaciona con otra disciplina como es la ergonomía. La Ergonomía se define como un cuerpo de conocimientos acerca de las habilidades humanas, sus limitaciones y características que son relevantes para el diseño de los puestos de trabajo. El diseño ergonómico es la aplicación de estos conocimientos para el diseño de

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herramientas, máquinas, sistemas, tareas, trabajos y ambientes seguros, confortables y de uso humano efectivo. El término ergonomía se deriva de dos palabras griegas ergo trabajo; nomos leyes naturales, conocimiento o estudio. Literalmente estudio del trabajo. La Ergonomía tiene dos grandes ramas: una se refiere a la ergonomía industrial, biomecánica ocupacional, que se concentra en los aspectos físicos del trabajo y capacidades humanas tales como fuerza, postura y repeticiones de movimientos. Una segunda rama se refiere a los factores humanos orientada a los aspectos psicológicos del trabajo como la carga mental y la toma de decisiones. Últimamente se ha hecho popular y se ha adoptado la Biomecánica ocupacional que proporciona las bases y las herramientas para reunir y evaluar los procesos biomecánicas en lo que se refiera a la actual evolución de las industrias, con énfasis en la mejora de la eficiencia general de trabajo y la prevención de lesiones relacionadas con el trabajo, esta está íntimamente relacionada con la ingeniería médica y de información de diversas fuentes y ofrece un tratamiento coherente de los principios que subyacen a la biomecánica bien diseñado y ergonomía de trabajo que es ciencia que se encarga de adaptar el cuerpo humano a las tareas y las herramientas de trabajo. Se busca promover el más alto grado de bienestar físico, mental y social del trabajador por lo que se debe: -Evitar el desmejoramiento de la salud del trabajador por las condiciones de trabajo. -Proteger a los trabajadores de los riesgos resultantes de los agentes nocivos. -Mantener a los trabajadores de manera adecuada a sus aptitudes fisiológicas y psicológicas. -Adaptar el trabajo al hombre y cada hombre a su trabajo. La gran mayoría de los factores de riesgo son introducidos en las actividades laborales sin estudios previos de su efecto en la salud. En general, las normas de prevención se desarrollan una vez producido el daño y muchas de estas aparecen mucho tiempo después de ser conocidos estos efectos. La producción de enfermedades profesionales, pueden desencadenar o agravar enfermedades comunes por la utilización de nuevas tecnologías (computación, automatización de máquinas, robotización, etc.), y por la falta de condiciones ergonómicas en los puestos de trabajos y los cambios en la organización (diferentes modalidades de trabajo, extensión de la jornada laboral, entre otras).

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● La biomecánica industrial, se encarga de la evaluación de riesgos en el trabajo y de posibles desórdenes por traumas acumulativos, de encontrar y determinar los puntos de estrés en un trabajo determinado, y se encomienda en el diseño y valoración de pavimentos y complejos deportivos. La Organización Mundial de la Salud ha definido como síndrome del edificio enfermo al conjunto de enfermedades originadas o estimuladas por la contaminación del aire en espacios cerrados. Es un conjunto de molestias y enfermedades originadas en la mala ventilación, la descompensación de temperaturas, las cargas iónicas y electromagnéticas, las partículas en suspensión, los gases y vapores de origen químico y los bioaerosoles, entre otros agentes causales identificados. Confort térmico El confort térmico es un concepto subjetivo que expresa el bienestar físico y psicológico del individuo cuando las condiciones de temperatura, humedad y movimiento del aire son favorables a la actividad que desarrolla Confort acústico El confort acústico es combatir el ruido controlando las molestias consiguientes. De hecho, existen dos criterios fundamentales que no deben confundirse: la absorción y el aislamiento. El confort acústico depende de una combinación de ambos. Confort visual Expresión que designa la capacidad de percepción que ha de tener el ojo o las propiedades visuales del objeto a percibir. La dificultad de una tarea visual aumenta con la reducción del contraste de colores y de luminancia así como con la reducción del tamaño de detalle.

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Física y biología del cuerpo humano en el trabajo. La mecánica es el estudio de las fuerzas y sus efectos. La aplicación de los principios mecánicos al cuerpo humano y animal en movimiento y en reposo es la biomecánica. Desde el punto de vista mecánico es importante recordar: - Estática. Es el estudio de los cuerpos que permanecen en reposo o en equilibrio como resultados de las fuerzas que actúan sobre ellos. - Dinámica Es el estudio de los cuerpos en movimiento y esta se divide en: a.- Cinemática Estudia las relaciones que existen entre los desplazamientos, velocidades y aceleraciones en el movimiento traslacional o rotacional. No se interesa en las fuerzas que intervienen sino solo en la descripción de los movimientos por si mismos. b.- Cinética trata de los cuerpos en movimiento y las fuerzas que actúan para producirlo. EN 1954 se desarrollo un tratado acerca de la locomoción humana donde se trato primeramente la cinemática de la marcha y se describieron los desplazamientos de los segmentos corporales en tres planos, cubriendo la flexión y extensión del músculo y la pierna, la rotación pélvica, y así sucesivamente; después consideraron la cinética de la marcha, analizando las fuerzas del músculo, así como las de la gravedad y de reacciones del piso, todas las cuales son necesarias para la propulsión del cuerpo y el control del desplazamiento de los segmentos. Analizando otro de los términos mas importantes en la mecánica es el de la fuerza definiendo esta como un impulso o una tracción, en mecánica se analizan fuerzas externas, llanadas cargas ajenas a la estructura son por ejemplo la fuerza de gravedad, la resistencia del aire, resistencia del agua, inercia, acción muscular y reacción del piso. Las fuerzas internas que reaccionan a estas cargas son llamadas tensiones. Tensión es la resistencia interna de un material que reacciona a una carga aplicada externamente, los cuatro factores que caracterizan a una fuerza son: 1.- Magnitud. 2.- Línea de acción. 3.- Dirección. 4.- Punto de aplicación. Para establecer un punto en el espacio es necesario trazar un plano contres coordenadas X, Y, Z. En este sistema coordenado se describe el movimiento humano, es conveniente colocar el origen en el centro de masa del cuerpo humano, que se encuentra aproximadamente por delante de la segunda vértebra sacra. Una vez que se ha establecido el plano con las coordenadas X, Y, Z. 1.- El plano frontal o coronal, que divide al cuerpo en porciones anterior y posterior (plano x, y). 2.- El plano sagital que divide al cuerpo en mitades derecha e izquierda (plano y, z). 3.- Y el transverso u horizontal que divide al cuerpo en porciones superior e inferior (plano x, z). Este sistema de coordenadas y planos de referencia facilitan la descripción del movimiento de los segmentos corporales y permite la localización exacta de cualquier punto en el espacio. 30

Materia es todo lo que ocupa un lugar en el espacio, en Biomecánica es necesario manejar un concepto muy importante como lo es la materia o masa sobre la cual se aplica la fuerza de gravedad, esta masa puede ser un objeto como una pesa de ejercicio, o puede ser todo el cuerpo o un segmento del mismo. Con el objeto de aplicar los principios de mecánica al movimiento humano, el concepto de centro de masa de un objeto debe ser usado constantemente. El centro de masa, por definición, es aquel punto que se encuentra exactamente en el centro de la masa de un objeto, este es llamado frecuentemente centro de gravedad.

El centro de masa del cuerpo humano con las extremidades extendidas, como en la posición ordinaria de pie se encuentra dentro de la pelvis. Este punto puede variar su posición de una persona a otra dependiendo de la constitución, la edad y el sexo,

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también varia en una persona dada cuando la disposición de los segmentos cambia, como al caminar, al corre o sentarse. Cg. este punto representa el centro de la masa total, se desplazara al agregar o sustraer peso de alguna parte del cuerpo, como sucede al colocar un aparato de yeso o una órtesis o después de la amputación de una extremidad.

Peso no es lo mismo que la masa, el peso de un cuerpo es la atracción que ejerce la fuerza de gravedad sobre su masa. La fuerza de gravedad que actúa siempre sobre los objetos se dirige verticalmente hacia el centro de la tierra, esto establece la dirección y la línea de acción para la fuerza de gravedad, esta línea de fuerza se denomina frecuentemente línea de gravedad. La presión que es un aspecto importante de la fuerza, indica como esta distribuida la fuerza dentro de un área. Uno de los principios fundamentales en los que interviene la presión es en general para evitar el dolor y la posible lesión, las fuerzas deben de soportarse sobre la mayor área de superficie corporal posible. Las lesiones de la piel y de las úlceras de presión son complicaciones clínicas serias que pueden evitarse fácilmente con la aplicación del principio mencionado anteriormente. La posición de los pacientes encamados debe cambiarse frecuentemente con el objeto de alternar las áreas de la piel que están bajo presión. Esto es particularmente cierto en la presencia de deterioro circulatorio o sensorial. La presión es un factor crítico en el ajuste de aparatos protésicos para amputados del miembro inferior, especialmente aquellos con apoyo isquiático o con apoyo terminal. Para el desarrollo de esta materia se hará uso de la Primera ley de Newton llamada la ley de la inercia, la cual establece que un cuerpo permanece en reposo o movimiento uniforme hasta que actúa sobre el un juego externo de fuerzas, de la segunda ley de Newton o ley de la aceleración, la cual establece que la aceleración de una partícula es

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directamente proporcional a la fuerza desequilibrada que actúa sobre ella e inversamente proporcional a la masa de la partícula y de la tercera ley de Newton, la ley de reacción, establece que para cada acción existe una reacción igual y opuesta.

Composición y resolución de fuerzas Al resolver problemas de biomecánica debemos tener en cuenta todas las fuerzas que actúan sobre el objeto. El problema puede consistir en analizar un solo sistema de fuerzas o una combinación de sistemas de fuerzas para hacer este análisis se pueden utilizar los procedimientos conocidos como: -Composición de fuerzas. Se tienen dos o más fuerzas que actúan en un mismo plano (coplanares) y sobre un mismo punto (concurrentes) de dicho sistema se obtiene una fuerza resultante. - Resolución de fuerzas. Este sistema sirve para remplazar una fuerza por sus componentes. Los dos sistemas se pueden resolver por medio del método grafico o el algebraico. Al hablar de perspectiva biomecánica, es necesario recordar algunos conceptos pertinentes como palancas del cuerpo humano, momentos de fuerza, punto crítico y ventaja mecánica, entre otros.

Palancas del cuerpo humano En el cuerpo humano la Biomecánica está representada por un "sistema de palancas", que consta de los segmentos óseos (como palancas), las articulaciones (como apoyos), los músculos agonistas (como las fuerzas de potencia), y la sobrecarga (como las fuerzas de resistencias). Según la ubicación de estos elementos, se pueden distinguir tres tipos de géneros de palancas: ● Primer Género o Interapoyo, considerada palanca de equilibrio, donde el apoyo se encuentra entre las fuerzas potencia y resistencia. ● Segundo Género o Interresistencia, como palanca de fuerza, donde la fuerza resistencia se sitúa entre la fuerza potencia y el apoyo. ● Tercer Género o Interpotencia, considerada palanca de velocidad, donde la fuerza potencia se encuentra entre la fuerza resistencia y el apoyo. En el cuerpo humano abundan las palancas de tercer género pues favorecen la resistencia y por consiguiente la velocidad de los movimientos. Como ejemplos de los tres géneros de palancas en el cuerpo humano encontramos: 1º Género: articulación occipitoatloidea (apoyo); músculos extensores del cuello (potencia); y peso de la cabeza (resistencia). 2º Género: articulación tibiotarsiana (apoyo); músculos extensores del tobillo (potencia); y peso del cuerpo (resistencia). 3º Género: articulación del codo (apoyo); músculos flexores del codo (potencia); y peso del antebrazo y la mano (resistencia)

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Gráfico 1. Palanca de 1º género: Articulación occipitoatloidea en donde F: Apoyo, E: Potencia, y R: Resistencia. Palanca de 2º Género: Articulación tibiotarsiana en donde F: Apoyo, E: Potencia, y R: Resistencia. Palanca de 3º Género: Articulación del Codo en donde F: Apoyo, E: Potencia, y R: Resistencia.

Según la posición en el espacio del sistema involucrado en el movimiento una misma articulación puede presentar más de un género. Por ejemplo el codo: flexión (2°gen.) y extensión (1°gen.) Sobre la palanca del sistema conviene destacar dos elementos muy importantes para el análisis biomecánico. Encontramos el brazo de potencia como la distancia perpendicular entre el apoyo y la línea de acción muscular, determinada entre sus tendones. Y por otro lado el brazo de resistencia como la distancia horizontal entre el apoyo y el punto de aplicación de la resistencia.

Momentos de fuerza Para provocar el movimiento de algún segmento corporal el músculo agonista debe realizar una tracción ósea a partir de su inserción móvil. Esta inserción se encuentra a una determinada distancia de la articulación eje del movimiento. La línea de acción de un músculo, presenta con el eje mecánico del hueso movilizado un ángulo denominado alfa. Para determinar el valor de la fuerza que realiza el músculo, en los distintos ángulos de excursión articular, es necesario calcularlo a través del "", que equivale al producto de la Fuerza por el Brazo de Palanca por el seno de alfa: Momento de Fuerza = fuerza x brazo de palanca x seno de alfa= F brazobrazo  sin  Cuando la posición articular se corresponde a la longitud media del músculo, donde el seno de alfa es igual a 1, el momento de fuerza muscular es máximo. Antes y después de esa posición, los valores de alfa son menores y la eficacia del momento de fuerza se reduce.

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Punto crítico Los brazos de potencia pueden modificarse en situaciones especiales en donde algunos tendones se curvan sobre superficies de deslizamiento que se comportan como poleas de reflexión. Existen dos tipos de poleas de reflexión. Una sobre la concavidad de la articulación (como el ligamento frondiforme para los flexores dorsales del tobillo) y otra sobre la convexidad de la articulación (como la corredera ósea para el peroneo lateral largo).

Estos sistemas de poleas, muy escasos en el cuerpo, tienen por consecuencia la reducción de las variaciones de los brazos de palanca musculares durante el movimiento. Con respecto a las articulaciones sin poleas de reflexión el mayor momento de fuerza muscular se conoce como punto crítico. El punto crítico se define como el momento del recorrido articular donde el músculo agonista encuentra su máxima resistencia a vencer. En el caso del trabajo con pesos libres corresponderá siempre a la posición en la cual el segmento óseo movilizado se encuentre paralelo al suelo.

Ventaja mecánica Durante un movimiento, la tensión generada por las fibras musculares agonistas varía, dependiendo de las variaciones que sufre la longitud de ambos brazos de palanca (potencia y resistencia). Con una misma resistencia pueden presentarse dos situaciones mecánicas diferentes de acuerdo a la situación en que se encuentren los brazos de palanca: a) Cuando el brazo de potencia aumenta y el brazo de resistencia disminuye, es una situación de ventaja mecánica. b) Cuando el brazo de potencia disminuye y el brazo de resistencia aumenta, es una situación de desventaja mecánica. De esto puede deducirse una relación inversamente proporcional entre el brazo de potencia y el brazo de resistencia.

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Cuando ambos brazos de palanca llegan a su máxima expresión (punto crítico) se produce una situación de equilibrio mecánico.

Variables biomecánicas ● Modificar los planos de ejecución Esto puede provocar dos situaciones, una es la variación del punto crítico y la otra, es la desaparición de dicho punto crítico. Un ejemplo claro se da con el ejercicio de abdominales sobre un plano invertido, para la primera situación, y un plano inclinado para la segunda.

● Invertir punto fijo y punto móvil Al hacer esto sucede que aquellos músculos que tenían inserciones cercanas a la articulación agonista, pasan a tenerlas alejadas y entonces su accionar muscular se modifica según sea el caso. Un ejemplo con los flexores del codo se presenta con los ejercicios "flexión de codos con pesos libres" y "flexiones de brazos suspendidos en una barra, con toma supina"

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● Modificar los brazos de resistencia Con esta variable se logra, por un lado, una aplicación de fuerza energéticamente más económica; es decir, reclutar menor cantidad de fibras musculares, reduciendo el brazo de resistencia para la ejecución de un determinado ejercicio o al menos de un segmento parcial del recorrido articular total de dicho movimiento. A la inversa, si se aumenta el brazo de resistencia se puede aumentar la cantidad de fibras musculares agonistas y hacer un trabajo que genere un mayor catabolismo energético. Son ejemplos claros las diferentes posiciones de los miembros superiores para el ejercicio de abdominales.

Resulta claro que con estas variables biomecánicas se amplia mucho más el abanico de posibilidades de variación a la hora de modificar la resistencia a vencer en cualquier ejercicio con el peso del propio cuerpo o con la utilización de pesos libres. Seguramente existen otras posibilidades más con las cuales lograr estas variaciones; no obstante, en las citadas se resumen las más prácticas y operativas para utilizar en el ámbito de la gimnasia y en entrenamiento. 37

Metodología Muchos de los conocimientos generados por la biomecánica se basan en lo que se conoce como modelos biomecánicos. Estos modelos permiten realizar predicciones sobre el comportamiento, resistencia, fatiga y otros aspectos de diferentes partes del cuerpo cuando están sometidos a unas condiciones determinadas. Los estudios biomecánicos se sirven de distintas técnicas para lograr sus objetivos. Algunas de las más usuales son: ● Análisis de fotogrametría. Análisis de movimientos en 3D basado en tecnología de vídeo digital. Una vez procesadas las imágenes capturadas, la aplicación proporciona información del movimiento tridimensional de las personas u objetos en el espacio. La fotogrametría es la disciplina encargada de calcular las dimensiones y posiciones de los objetos en el espacio, a partir de medidas realizadas sobre fotografías. Según su etimología, la palabra fotogrametría significa la medida de lo escrito con luz. Trabajando con una fotografía se puede obtener información bidimensional. En fotogrametría se trabaja con dos fotos en las que existe una zona común. Del proceso de cruzar la zona de solape se puede obtener visión estereoscópica (dos puntos de vista), esto es, información tridimensional. Los datos 3D procedentes de imágenes suelen obtenerse manualmente (indicando el sistema en qué lugar se encuentra cada uno de los puntos de interés en cada fotograma), o bien de una manera invasiva (por ejemplo, colocando marcadores en el cuerpo del sujeto.) La digitalización manual es la más comúnmente utilizada, tiene el inconveniente de que es muy costosa en tiempo y requiere de personal especializado en conocimientos en anatomía humana. Con técnicas invasivas es posible automatizar parcialmente el proceso de coordenadas 3D, siguiendo los marcadores externos de forma automática, ya que tienen unas características conocidas e identificables. Sin embargo, este tipo de técnicas sólo pueden localizar marcadores externos, por lo que no son aplicables en aquellos modelos en los que es importante la localización de centros articulares, además no hay ninguna garantía de que se mantengan los marcadores en la misma posición durante todo el experimento.

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● Análisis de comportamiento tensión-deformación directo. Este tipo de análisis se ocupa de determinar la "resistencia" de un material biológico ante la ejecución de una fuerza que actúa sobre este. Estas fuerzas, en sentido general, pueden ser de tipo compresivo o bien de tipo tracción y generarán en la estructura dos cambios fundamentales. Cambios en la tensión Tensión mecánica es el esfuerzo interno por unidad de área que experimenta un material frente a la aplicación de la fuerza, cualquiera que sea ésta y que corresponde a los fenómenos descritos por la Tercera Ley de Newton (Acción y Reacción). De acuerdo con este principio, la aplicación de un nivel determinado de deformación sobre un material flexible generará una tensión más pequeña que en otro material más rígido, que bajo la misma deformación experimentará una mayor tensión. La relación entre el

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esfuerzo aplicado y las deformaciones experimentadas, recibe el nombre de rigidez, y depende del tipo de esfuerzo que sea (de compresión, de flexión, torsional, etc.). Cambios en la forma Cuando se somete a un objeto cualquiera a la aplicación de una fuerza, en algún momento experimentará una deformación observable. Para los objetos más bien elásticos, dicha deformación se alcanza con aplicaciones de fuerza de baja magnitud, mientras que los materiales rígidos requieren de aplicación de magnitudes de fuerza de mayor consideración. La gráfica asociada al estudio de este fenómeno se conoce con el nombre de Curva Tensión Deformación de cuyo estudio es posible inferir el comportamiento del material. Un punto aparte en esta consideración lo representan los materiales viscoelásticos. Que se caracterizan por presentar un comportamiento diferente en el tiempo a pesar de que las condiciones de carga o deformación a las que se les somete permanezcan constantes. Si el material es sometido a una carga constante, la deformación del material inicialmente ocurre a una cierta velocidad y que con el paso del tiempo de carga mantenida, dicha deformación tiende a ser constante (no experimenta variaciones). Un ejemplo clásico de material viscoelástico lo constituye el cartílago articular que cubre las superficies óseas.

● Biomecánica computacional. Se refiere a las simulaciones computerizadas de sistemas biomecánicos, tanto para poner a prueba modelos teóricos y refinarlos, como para las aplicaciones técnicas. Usualmente se usan tanto modelos de sólidos para simular comportamientos cinemáticos, como modelos de elementos finitos para simular propiedades de deformación y resistencia de los tejidos y elementos biológicos. El tipo de análisis requerido en general es en régimen de grandes deformaciones, por lo que en general los modelos materiales usan relaciones no-lineales entre tensiones y deformaciones. 40

Los tejidos blandos presentan comportamientos viscoelásticos: gran capacidad disipación de energía, histéresis, relajación de tensiones, precondicionado y "creep". Por lo que generalmente las ecuaciones constitutivas adecuadas para modelarlos son de tipo viscoelástico e involucran tanto a tensiones y deformaciones, como a velocidades de deformación. Algunos tejidos blandos incluso pueden ser precondicionados sometiéndolos a cargas cíclicas, hasta el punto que las curvas de tensión-deformación para los tramos de carga y descarga pueden llegar prácticamente a solaparse. El modelo más comúnmente usado para modelar la viscoelasticidad de los tejidos blandos es la teoría de la viscoelasticidad cuasilineal (QLV). La biomecánica computacional ha servido en múltiples áreas de la medicina aplicando la mecánica como herramienta de análisis. Sin embargo, la mayor aplicación de esta área ha sido en solucionar problemas ortopédicos y entender el sistema musculoesquelético. La biomecánica se ha dividido específicamente en simulación de músculo, tendones y ligamentos (también denominados tejidos blandos) y simulación de hueso (tejido duro). Además, se han realizado, en menor medida, otras simulaciones como son modelos de corazón, venas y arterias (que esta enmarcado en tejido blando) e investigación celular (mecánica celular).Se puede decir que hay tres grandes conjuntos de temas. Modelización de materiales biológicos (sólidos), modelización de flujos biológicos (fundamentalmente flujo sanguíneo) y la dinámica del movimiento corporal. Han existido diversas aplicaciones de los métodos numéricos a la biotecnología. Las más importantes son: técnicas de remodelización del hueso e implantes con influencia de los parámetros materiales y geométricos de los implantes en el proceso de adaptación del hueso; técnicas de optimización en sistemas músculo-esqueleto redundantes y la modelización por elementos finitos de tejidos del cuerpo humano aplicada, por ejemplo, a la flexión del antebrazo o al comportamiento de la columna vertebral; desarrollo de modelos biomecánicos y de reconstrucción y control del movimiento humano tridimensional. 41

También es común la biomecánica de ocupantes de vehículos y peatones, que permite el estudio de impactos y alcances y el desarrollo de sistemas de seguridad pasiva. Los modelos más representativos del comportamiento mecánico de los materiales biológicos son de tipo no lineal, dadas las grandes deformaciones y rotaciones que presentan (baste considerar que una arteria del tipo de las coronarias humanas presenta un alargamiento unitario longitudinal de aproximadamente 1,4), y debido al proceso de alineación de las fibras de colágeno. Una de las formulaciones de mayor difusión en este tipo de modelos es la de tipo hiperelástico. Además, estos materiales son fuertemente anisótropos, debido a la presencia de direcciones preferentes muy influenciadas por la disposición de las fibras de colágeno.

Se emplean modelos constitutivos anisótropos de tipo hiperelástico con varias familias de fibras. Estos modelos se implementan en un contexto computacional mediante técnicas de elementos finitos, que permiten analizar geometrías complejas, típicas de las morfologías observadas en los seres vivos. La introducción de los métodos computacionales, específicamente los elementos finitos, a la biomecánica ortopédica se inicia en 1972, año en el que comienzan las publicaciones sobre evaluación de esfuerzos en huesos humanos. Sin embargo, el método de los elementos finitos no ha sido el único utilizado en la biomecánica computacional, siendo también importante la aplicación del método de los elementos de contorno. En cualquiera de las dos macroáreas de la biomecánica, se presentan grandes ramas como son la mecánica de fluidos, análisis de movimiento y el análisis de tensiones o mecánica de sólidos. La parte computacional y la experimental están en una continua 42

sinergia para generar nuevos y mejores modelos de explicación de fenómenos biológicos y médicos. Surge una nueva rama, la mecanobiología, la cual establece la relación del comportamiento del tejido desde el punto de vista biológico, a partir de las cargas mecánicas. La mecanobiología computacional, determina las reglas cuantitativas que gobiernan las acciones celulares para su expresión, diferenciación y mantenimiento ante estímulos biológicos y mecánicos, las cuales pueden simularse mediante métodos numéricos. El procedimiento para hallar dichas reglas es habitualmente mediante el proceso de "prueba-error". Los ensayos computacionales se simulan a partir de problemas de valor en el contorno mediante los cuales, las cargas mecánicas sobre el contorno son trasladadas a variables mecánicas locales (deformaciones y tensiones). Del lado biológico, estas variables mecánicas locales o biofísicas estimulan la expresión celular para regular, por ejemplo, la composición de la matriz y la expresión de sustancias moleculares. Tanto la parte biológica como la mecánica se combinan en un modelo computacional, que considera la aplicación de fuerzas, mecanotransducción, expresión celular, genética y la transformación de las características de la matriz extracelular. El método usual de implementación numérica de estos problemas mecanobiológicos es el método de los elementos finitos.

A diferencia de los problemas tradicionales de la ingeniería, donde el cálculo numérico produce una respuesta a un fenómeno conocido, en la mecanobiología se ensayan diferentes relaciones matemáticas, variables de entrada y estímulos biofísicos para simular el comportamiento de un tejido u órgano. De esta forma se establecen hipótesis, y su correspondiente simulación permite verificar si es plausible o no a la luz de las evidencias experimentales existentes que muchas veces son incompletas e insuficientes

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para verificar, sin duda alguna, las hipótesis de partida, abriéndose entonces nuevas vías de experimentación. Por ello, la simulación numérica ha sido recientemente citada como "El tercer método de la ciencia", después de la lógica (teórica) y la experimentación. El crecimiento biológico es el proceso mediante el cual se adiciona masa, se configura la forma, y se ajustan las dimensiones finales de los órganos que se encuentran en desarrollo. En el proceso de crecimiento del cuerpo humano se encuentran dos tipos de tejidos: el tejido duro y el tejido blando. El tejido duro puede desarrollarse mediante la aposición de masa sobre la superficie del tejido (desarrollo intramembranoso), o mediante el proceso de formación de un molde de cartílago y posterior reemplazo por tejido óseo, como ocurre en el caso de los huesos largos (desarrollo endocondral). Por el contrario, los tejidos blandos, como los vasos sanguíneos o ligamentos, experimentan un crecimiento volumétrico que genera tensiones residuales internas sobre los órganos. La cinemática del crecimiento fue descrita inicialmente por Skalak.

Los motivos para aplicar la mecanobiología y la simulación biomecánica es introducir un nuevo planteamiento en el desarrollo de modelos biomecánicos del cuerpo humano que contribuya a paliar algunas de las limitaciones de los actuales modelos basados en barras y pares cinemáticas. Debido son la gran dificultad de los ensayos experimentales y la práctica imposibilidad de su personalización en estudios sobre sujetos concretos, la falta de realismo en actuaciones complejas, sensibilidad a los errores experimentales y dificultades para validar las predicciones. Ahora podemos estudiar y comparar muchos factores y situaciones: diferentes pacientes, implantes, características de los tejidos, etc. Tenemos la posibilidad de incorporar factores mecánicos, biológicos y farmacológicos en los modelos que, en algún caso, no pueden controlarse en los ensayos. Reducimos muy notablemente el coste. Conseguimos aprovechar herramientas y planteamientos para el análisis cinemática y dinámico de sistemas multicuerpo desarrollados en el ámbito de la Teoría de Máquinas y Mecanismos y la Robótica en la resolución de las limitaciones detectadas en el planteamiento de los actuales modelos biomecánicos. Perfeccionamos y depuraramos las técnicas experimentales biomecánicas, no sólo para conseguir el objetivo anterior, sino para poder ser aplicadas en la calibración de robots industriales y en la determinación de sus características inerciales.

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Tecnología biomecánica La tecnología biomecánica se refiere tanto a dispositivos artificiales fabricados a partir de los resultados encontrados a partir de la investigación biomecánica, como a los instrumentos y técnicas usados en la investigación y adquisición de nuevos conocimientos en el ámbito de la biomecánica.

Órganos artificiales Los órganos artificiales, son órganos y tejidos creados mediante ingeniería creados para sustituir partes dañadas del organismo, los cuales han sido llamados a ser la base del tratamiento de muchas lesiones y enfermedades, y que han formado en nuestra era una simbiosis entre hombre y máquina la cual tiene como finalidad prolongar y evadir ciertos limites naturales que tiene el hombre. El análisis de un órgano artificial, debe considerarse en la construcción de estos aspectos tales como materiales que requieren unas particulares características para poder ser implantados e incorporados al organismo vivo. Además de las características físicas y químicas de resistencia mecánica, se necesita fiabilidad, duración y compatibilidad en un ambiente biológico que siempre tiene una elevada agresividad. El mayor problema que se plantea la construcción de una prótesis se refiere a la relación entre el biomaterial y el tejido vital en el que se inserta ya que es muy importante el control de las reacciones químicas de superficie y microestructura, el tejido crece y tiende a incorporar incluso a nivel de los poros de la rugosidad superficial, el material implantado.

Debido a la carencia de órganos trasplantables, solo una mínima parte de pacientes con mal funcionamiento de alguno de sus órganos pueden ser trasplantados. Para solucionar un poco este problema la bioingeniería ha colaborado intensamente con la medicina elaborando órganos artificiales que puedan llegar a suplir órganos con un mal funcionamiento, por esta razón han aparecido entonces el corazón artificial en 1982, los brazos artificiales, las piernas artificiales, las orejas, la retina, la piel y el hígado y un sin número de suplencias para órganos fallidos. Pero hoy en día con el advenimiento de la biología molecular, la genética, la clonación entre otros, los científicos han propuesto lo que llamaron la ingeniería de tejidos, una técnica a partir de la cual se buscan obtener tejidos y órganos a partir de cultivos de células sobre membranas de diferentes materiales biodegradables que inducidas 46

apropiadamente pueden llegar a reemplazar los órganos o tejidos que sean requeridos, aunque se espera que para un futuro con el avance de la genética, se puedan tomar células madre indiferenciadas, para ser cultivadas y con los apropiados estímulos estas puedan diferenciarse en los órganos o tejidos que se necesiten reemplazar.

Las primeras técnicas han sido con materiales de naturaleza física y química fáciles de manejar para la formación de un tejido final, para este fin se han utilizado varios polímeros, así como materiales naturales como el colágeno, y tanto unos como otros han dado resultados efectivos en la creación de un medio de cultivo para las células, además de poder ser degradados en el organismo en caso de ser transplantados. Una vez los materiales han sido seleccionados como estructuras de soporte para el crecimiento de las células de acuerdo a determinadas características que son muy importantes como lo son las características mecánicas, así como sus características de superficie, las cuales le permitirán a las células interactuar con el material, estos deben ser procesados para que tengan una apropiada arquitectura y se logre la formación del tejido. Pero el proceso no termina aquí es necesario que el tejido en crecimiento tenga un mecanismo de transporte de nutrientes así como de desecho para su adecuado crecimiento, se han creado una especie de vasos sanguíneos que drenan constantemente el tejido en crecimiento, colaborando con el soporte de este.

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Prótesis La sustitución de órganos por otros artificiales, constituye la frontera avanzada de la ingeniería biónica. Dejando aparte las prótesis ortopédicas cuyo empleo ha tenido un enorme desarrollo gracias a la aplicación de nuevos materiales y técnicas de cálculo, así como a los avances en las técnicas de implantación por lo que cada día es más amplia la gama de posibilidades de sustitución de órganos conocidos y menos conocido, lo cual resulta de gran ayuda para pacientes y médicos un ejemplo de esto es la fabricación de bombas de insulina para emplear en personas diabéticas. Es un dispositivo diseñado para reemplazar una parte faltante del cuerpo o para mejorar el funcionamiento de una parte del mismo. Las prótesis suelen usarse para reemplazar ojos, brazos, manos y piernas faltantes o enfermas. Los dientes postizos son denominados prótesis dentarias y al reemplazo del hueso de la mandíbula por un hueso artificial se lo conoce como prótesis maxilofacial. Los implantes de pene también son conocidos como prótesis peniles.

Tipos de prótesis: Prótesis bucales ● Obturatrices: Para las pérdidas de sustancia del maxilar superior, que producen comunicaciones buco sinusales, es decir, entre la cavidad bucal y las vías aéreas.

● Mandibulares: Sustituyen sustancia ósea perdida en el maxilar inferior.

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● Velo faríngeas: Para obturar defectos, cuando existen pérdidas de los tejidos del velo de paladar.

Prótesis cosmética facial: ● Oculares: Reponen protéticamente la enucleación o atrofia del globo ocular. Es el elemento protético que va a restaurar la estética perdida y mantener la correcta salud de los tejidos circundantes (cavidad y párpados). Puede realizarse desde una primera instancia o posteriormente a tratamientos acondicionadores, de preparación cavitaria (conformadores).

● Oculopalpebrales u orbitarias: Cuando la extensión de la lesión involucra además del globo ocular, a los tejidos peri-oculares. En su confección se utilizan acrílicos de termopolimerización o siliconas de grado médico, aunque si el caso lo requiere se combinan ambos materiales. Se caracterizan o pintan del color de la piel del paciente, lográndose un efecto estético muy bueno, pasando completamente desapercibidas. El modo de fijación puede ser mediante adhesivos especiales o mecánicamente a las gafas y si el caso lo permite pueden colocarse implantes de óseo-integración.

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Prótesis oculopalpebral rígida en acrílico

Prótesis oculopalpebral flexible en

silicona

● Nasales: En caso exéresis del apéndice nasal. Existen algunos modelos para mejorar la respiración, insertándose en las fosas nasales, caracterizada porque está constituida por un perfil preferentemente de sección toroidal, conformado de tal manera que se propicia, mediante su base inferior, el anclaje al tabique nasal, mientras que la plataforma superior, constituída por dos zig-zags dispuestos planamente y de manera simétrica, permite mediante la fuerza expansora de sus terminales, el ensanchamiento de ciertos estrangulamientos del paso del aire, producidos por los cartílagos nasales.

● Auriculares: Para la rehabilitación del pabellón de la oreja. La evolución de los sistemas de oseointegración es uno de los principales factores que han permitido el desarrollo de la cirugía reconstructiva facial, la adaptación de prótesis faciales y de ayudas auditivas ancladas al hueso. Gracias a estos sistemas de oseointegración se logra optimizar los resultados de los sistemas de amplificación auditiva y reconstructiva.

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● Faciales extensas: Cuando la lesión abarca más de dos regiones faciales. Las prótesis faciales constituyen parte integrante de la rehabilitación de pacientes que sufrieron daños en la cara, sea de origen patológica, traumática o congénita. Aunque el éxito del tratamiento con prótesis faciales está asociado con la capacidad artística del profesional en reproducir las estructuras perdidas, no se puede descuidar la buena adaptabilidad de las prótesis en cuanto a la asociación de materiales y técnicas empleadas para la confección de prótesis buco-maxilofaciales.

Prótesis somáticas: Son las que se realizan en zonas alejadas del rostro, como por ejemplo prótesis de mano, dedos, seno, pezón, entre otras. Se realizan en silicona de grado médico, caracterizada (pintada), color piel a los efectos que se mimetice con los tejidos que la rodean. Su proceso de confección se realiza con técnicas y equipamiento similares a las prótesis bucales.

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Prótesis internas o endoprótesis: Son las que se preparan para ser incluidas en el medio interno por el equipo de cirugía, rellenos subcutáneos faciales, toráxicos, calotas craneanas, etc. Todas son confeccionadas mediante técnicas de impresión, en forma individual, según el tamaño y forma requeridas para el caso en particular, diseñadas de acuerdo a las necesidades planteadas por el médico tratante.

● Prótesis subcutáneas faciales. El uso de prótesis faciales puede ser aplicado en casos en los cuales clínicamente es difícil la reconstrucción quirúrgica tales como pacientes seniles que requieran de múltiples colgajos, adaptación de injertos, remoción de órganos o amputaciones, pacientes con necesidad de reconstrucción de estructuras a través de múltiples procedimientos microquirúrgicos particularmente en pacientes con compromiso de microcirculación. También pueden ser de utilidad en aquellos pacientes a quienes se les ha realizado resección tumoral y se requiere de seguimiento clínico a fin de identificar tempranamente recidivas tumorales, situación poco realizable si se hacen rotaciones con colgajos músculo-cutáneos o cubrimiento de lechos quirúrgicos con injertos libres.

● Calotas craneanas. Bóveda craneal constituida por huesos, cuya formación embriológica es simultánea a los de la cara, aunque sufren un proceso de osificación membranosa. Con frecuencia se utilizan para realizar injertos óseos, especialmente en cirugía reparadora craneofacial, ya que presentan como ventaja fundamental, respecto de los demás huesos de origen endocondral, su menor reabsorción, hecho este que se ha relacionado con su específico origen embriológico membranoso.

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Prótesis mecánicas Las prótesis mecánicas o de tiro son prótesis con dispositivos de apertura y cierre mediante cables y cintas de sujeción unidos al cuerpo y a su lado contrario que por la tracción ejercida al tensor abre o cierra a voluntad. Este tipo de prótesis son funcionales pero con unas limitaciones de movimiento, ya que necesitan de la energía propia para su movimiento y obliga a hacer movimientos de tensión para su funcionalidad, pero tienen una durabilidad mayor que las bioprótesis.

Prótesis mioeléctricas Con el avance tecnológico y más específicamente en el área de la robótica y la electrónica, se ha lograron desarrollar prótesis mejoradas en sus sistemas de control y adaptación hasta lograr una prótesis controlada con impulsos musculares, a la cual se le dio el nombre de prótesis Mioeléctrica (mio =músculo, eléctrica =electrónica). Las prótesis electrónicas (mioeléctricas) fueron desarrolladas basadas en la biónica, la cibernética, la robótica, la mecatrónica y es por esta razón que se les conoce con diferentes nombres para describirlas, como son prótesis cibernéticas, biónicas, mioeléctricas, mecatrónicas, electromecánicas, entre otras; pero todos estos términos solo describen una prótesis desarrollada con la combinación de la electrónica y la mecánica y controlada muscularmente. Las prótesis mioeléctricas son prótesis eléctricas controladas por medio de un poder externo mioeléctrico, estas prótesis son hoy en día el tipo de miembro artificial con más alto grado de rehabilitación. Sintetizan el mejor aspecto estético, tienen gran fuerza y velocidad de prensión, así como muchas posibilidades de combinación y ampliación. El control mioeléctrico es probablemente el esquema de control más popular. Se basa en el concepto de que siempre que un músculo en el cuerpo se contrae o se flexiona, se

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produce una pequeña señal eléctrica (EMG) que es creada por la interacción química en el cuerpo. Esta señal es muy pequeña (5 a 20 µV. Una bombilla eléctrica típica usa 110 a 120 voltios, por lo que esta señal es un millón de veces más pequeña que la electricidad requerida para alimentar dicha bombilla.

Para lograr este control muscular existen diferentes tipos de sensores que son los encargados de tomar las señales musculares del paciente y enviarlas a un sistema electrónico encargado de realizar los movimientos de apertura y cierre de la mano, entre estos sensores se encuentran los electrodos, sensores de cambio de volumen muscular, sensores de tacto, sensores comparadores de frecuencia, etc.; cada casa productora de prótesis electrónicas utiliza el que mejor se adapte al sistema que ha desarrollado. El uso de sensores llamados electrodos que entran en contacto con la superficie de la piel permite registrar la señal EMG. Una vez registrada, esta señal se amplifica y es procesada después por un controlador que conmuta los motores encendiéndolos y apagándolos en la mano, la muñeca o el codo para producir movimiento y funcionalidad. Éste tipo de prótesis tiene la ventaja de que sólo requieren que el usuario flexione sus músculos para operarla, a diferencia de las prótesis accionadas por el cuerpo que requieren el movimiento general del cuerpo. Una prótesis controlada en forma mioeléctrica también elimina el arnés de suspensión usando una de las dos siguientes técnicas de suspensión: bloqueo de tejidos blandos-esqueleto o succión. Tienen como desventaja que usan un sistema de batería que requiere mantenimiento para su recarga, descarga, desecharla y reemplazarla eventualmente. Debido al peso del sistema de batería y de los motores eléctricos, las prótesis accionadas por electricidad tienden a ser más pesadas que otras opciones protésicas. Una prótesis accionada por electricidad proporciona un mayor nivel de tecnología, pero a un mayor costo.

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Prótesis cosméticas Las Prótesis Cosméticas fueron desarrolladas con el objetivo de reemplazar un miembro o parte de él teniendo en cuenta su parte estética, más no su funcionalidad, esto con el fin de mejorar o completar la imagen corporal de una persona y contribuir con su rehabilitación tanto física como psicológica. Debido a su función estética, estas prótesis se desarrollan teniendo en cuenta las características físicas, propias de cada paciente, lo que hace de esta área un trabajo personalizado en los que se deben tomar moldes, tener en cuenta su color de piel, y sus medidas con el fin de lograr una prótesis los más semejante posible al miembro a reemplazar. Prótesis biónicas Actualmente las prótesis mioelétricas son controladas por electrodos de contacto y señales mioléctricas procedentes de músculos agonistas y antagonistas localizados en el muñón o regiones cercanas. Estas prótesis permiten controlar solamente un movimiento. Así, el control y el movimiento del codo protésico, muñeca, mano debe ser realizado secuencialmente. Es decir, no se puede abrir la mano y flexionar el codo a la misma vez. Los músculos del hombro, bíceps o tríceps etc. se utilizan para mover la mano o la muñeca y para ello es necesario un aprendizaje e integración cerebral. Tampoco tienen estas prótesis mecanismo de feedback, por lo que es necesario el control visual. Con las prótesis biónicas se pretende que la orden para el manejo de las prótesis parta del cerebro y esta orden sirva para ejecutar el movimiento deseado como ocurre con los miembros no amputados. Un avance determinante para comenzar esta línea de progreso, es la aplicación de la reinervación muscular en la que se utilizan los nervios residuales del miembro amputado para transferirlos a un grupo muscular conservado que no tenga una función biomecánica debido a la amputación. Durante la transferencia de los nervios los músculos seleccionados son denervados y de esta forma pueden ser reinervados de nuevo. Así los músculos reinervados sirven como amplificadores biológicos de los nervios amputados. En la piel correspondiente de estos músculos se retira el tejido celular subcutáneo para conseguir una mejor transmisión de la señal eléctrica. Por ejemplo, transfiriendo el nervio mediano al músculo pectoral proporciona una señal mioléctrica de cierre de la mano. El paciente piensa que quiere cerrar la mano y se contrae la zona muscular del pectoral reinervada por el nervio mediano. La señal mioeléctrica es utilizada para poner en marcha el dispositivo motorizado que cierra la 55

mano. Transfiriendo múltiples nervios las señales mioeléctricas permiten de forma intuitiva el control simultáneo de múltiples articulaciones en una prótesis. La reinervación dirigida igualmente puede ser usada en proporcionar al amputado sentido del tacto en su miembro amputado. Utilizando un segmento de piel cercano a la musculatura reinervada, esta piel se denerva primero y después se reinerva con nervios sensitivos del brazo amputado. Así, cuando la piel es estimulada el paciente amputado siente como si su mano fuera tocada proporcionando sensibilidad. Se colocan sensores en los dedos de la mano que cuantifican presión, temperatura o textura de los objetos y unos dispositivos colocados en el encaje, conectados con los sensores anteriores, proporcionan en la piel reinervada estímulos de presión, temperatura o tacto para sentir como si estuviera tocando con su mano. En un futuro es probable que la técnica de reinervación dirigida se pueda utilizar en amputados de miembro inferior.

Sensores Para intervenir sobre cualquier órgano, se requiere el control y la medición continua de la intensidad del fenómeno. Los sensores que constituyen el primer elemento del sistema, son dispositivos que permiten detectar los fenómenos físicos y químicos, ofreciendo seriales de salida proporcionales a la intensidad de las entradas.

Los sensores son colocados en el paciente y conectados a un software de medición, con precisión, para la correcta colocación de la prótesis, y corregir pequeños errores que no se observan a simple vista

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Las señales de entrada de muy diversos tipos y convertidas en la mayoría de los casos en magnitudes eléctricas (ejemplo, variaciones de presión y variaciones de resistencia eléctrica) corresponden a variaciones de temperatura, de deformación muscular en los esfuerzos, de presión venosa o arterial, etc. Los sensores pueden ser electrodos directos capaces de captar las señales procedentes de actividades celulares, o pueden consistir en detectores de concentraciones de sustancias químicas. ● Implantes cerebrales para controlar prótesis Una nueva técnica es la de implantar un sensor en el cortex motor (la zona de la corteza cerebral que se encarga de controlar los movimientos) de pacientes con parálisis que les permite controlar cosas como el cursor de la pantalla de un ordenador o brazos robot sólo con pensar en ellos. Se ha estado realizando un exhaustivo estudio acerca de las señales que produce el cerebro y el método que se utiliza para decodificarlas. Para ello a los pacientes se les implanta un sensor del tamaño de una aspirina que por un extremo está en contacto directo con el cerebro y por el otro queda justo debajo de la piel del cráneo, extremo por el que transmite datos y recibe la alimentación eléctrica y las señales de control. La ventaja de utilizar un implante de este estilo es que se minimiza el riesgo de infección que supondría utilizar un implante que supusiera mantener una herida abierta en la piel del paciente. La idea a muy largo plazo es ir más allá de la utilización de prótesis y dispositivos similares para reconectar de alguna forma el cerebro de aquellos pacientes que por alguna enfermedad o accidente ha quedado desconectado de sus miembros utilizando un sistema como este o similar y permitirles moverse de nuevo por sus propios medios, aunque los equipos de proceso de las señales ocupan mucho espacio.

Se ha logrado restablecer el sentido del tacto en pacientes con brazos artificiales, en lo que se ha visto como gran un paso hacia la posibilidad de crear extremidades sensibles. El procedimiento consiste en reconducir hacia el pecho los nervios que quedaron de las extremidades. De esa forma, si se aplica presión sobre sus pechos, los dos pacientes podían sentir los brazos y manos que perdieron. En algunas pruebas, los pacientes podían identificar incluso el lugar de la mano que era tocado. El futuro de este método puede llevar a que estos nervios de las extremidades perdidas sean reconducidos a prótesis como manos, pies y brazos artificiales, dotándolos de sentido del tacto.

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Los electrodos que se instalan en el arnés del hombro del paciente permiten detectar los mensajes emitidos desde el cerebro hasta el músculo del pecho y los conducen hasta el brazo. El paso siguiente abre la puerta al sentido del tacto, cuya carencia es la principal limitación de las extremidades artificiales. Los pacientes pueden distinguir la sensación percibida en sus pechos de la que le atribuían a la captada por sus manos. En algunos casos, son capaces de señalar exactamente en qué parte de la mano la sensación se estaba produciendo. Proveer a las prótesis de una habilidad sensorial mejorará dramáticamente su funcionalidad y su aceptación por parte del paciente.

Estimuladores Los estimuladores artificiales son utilizados para activar ciertos órganos o funciones que, aun estando sanos no funcionan como es debido a causa de lesiones del sistema nervioso central; según Claude Ville: “Una función extremadamente delicada ,es la que se lleva a cabo para estimular el músculo cardiaco a través de un aparato marca pasos, que permite regular los latidos cardiacos al proporcionar desde el exterior impulsos de corriente y que resulta vital en algunos casos de arritmias cardiacas.” El marca pasos consta de una batería, un generador y un modulador de impulsos eléctricos y un electrodo que transmite los impulsos al tejido cardiaco. Existen muy diversos tipos de marca pasos (en la actualidad se cuenta con más de 200 tipos diferentes) Los impulsos eléctricos generados por el aparato pueden ser se frecuencia fija, es decir producidos a una frecuencia predeterminada, sin ninguna relación con la actividad del corazón, pero en la actualidad se emplean mas los marcapasos a demanda, o sea, mediante impulsos desencadenados cuando el propio aparato reconoce un fallo en el ritmo cardiaco normal Se están desarrollando marca pasos capaces de regular la actividad cardiaca en relación con el esfuerzo muscular que se realiza en cada momento, la frecuencia respiratoria, la temperatura corporal, etc. Las baterías que se emplean hoy en día tienen una duración muy prolongada, de cinco a diez años y la miniaturización electrónica de los circuitos permite una notable compactación del aparato, cuya utilización esta cada vez mas extendida.

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Los estimuladores pequeños y ligeros, están realizados con conceptos ergonómicos y dotados de funciones de telemetría que permiten conocer en el exterior los parámetros fundamentales indicativos del estado del sistema. Permiten el movimiento de la pierna a quien está afectado por una hemiparesia, ya que pueden estimular los músculos que intervienen en la de ambulación a través de electrodos aplicados a los mismos músculos. Cuando el paciente apoya el pie, se cierra un circuito que transmite la orden directamente a los músculos, permitiendo así la deambulación.

La cibernética Hay que profundizar en un aspecto concreto: el modo en que los sentidos actúan sobre los organismos, es decir como se produce la regulación de un acto, voluntario o no. La cibernética es el estudio interdisciplinario de la estructura de los sistemas reguladores. La cibernética está estrechamente vinculada a la teoría de control y a la teoría de sistemas. Tanto en sus orígenes como en su evolución, en la segunda mitad del siglo XX, la cibernética es igualmente aplicable a los sistemas físicos y sociales (es decir, basados en el lenguaje).los sistemas complejos afectan y luego se adaptan a su ambiente externo; en términos técnicos, se centra en funciones de control y comunicación: ambos fenómenos externos e internos del/al sistema. Esta capacidad es natural en los organismos vivos y se ha imitado en máquinas y organizaciones. Especial atención se presta a la retroalimentación y sus conceptos derivados. La palabra cibernética viene del vocablo griego kybernetes que significa piloto o timonel, es decir, desde sus orígenes se asocia a la idea de control para la toma de arte de gobernar a los hombres. Fue Norbert Wiener, en 1948, quién readoptó el término kybernetica (cibernética) para aplicarlo a la ciencia de las máquinas que transmiten órdenes, pero, con una visión analogizada de la relación que existe entre los funcionamientos de los organismos vivos y la posibilidad de reeditar sus modelos de comportamiento en los sistemas artificiales. Con posterioridad a la Segunda Guerra Mundial comenzó a usarse para denominar a sistemas en que participan seres humanos.

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Dentro del campo de la cibernética se incluyen las grandes máquinas calculadoras y toda clase de mecanismos o procesos de autocontrol semejantes y las máquinas que imitan la vida. Las perspectivas abiertas por la cibernética y la síntesis realizada en la comparación de algunos resultados por la biología y la electrónica, han dado vida a una nueva disciplina, la biónica. La Robótica es la técnica que aplica la informática al diseño y empleo de aparatos que, en substitución de personas, realizan operaciones o trabajos, por lo general en instalaciones industriales. Se emplea en tareas peligrosas o para tareas que requieren una manipulación rápida y exacta. En los últimos años, con los avances de la Inteligencia Artificial, se han desarrollado sistemas que desarrollan tareas que requieren decisiones y auto programación y se han incorporado sensores de visión y tacto artificial.

La cibernética se divide en: -Cibernética técnica: Teoría de control y simulación. Teoría de sistemas. -Cibernética teórica: Teoría de la información. Teoría de algoritmos La Teoría de los juegos es un área de la matemática aplicada que utiliza modelos para estudiar interacciones en estructuras formalizadas de incentivos (los llamados juegos) y llevar a cabo procesos de decisión. Sus investigadores estudian las estrategias óptimas así como el comportamiento previsto y observado de individuos en juegos. Tipos de interacción aparentemente distintos pueden, en realidad, presentar estructuras de incentivos similares y, por lo tanto, se puede representar mil veces conjuntamente un mismo juego. Desarrollada en sus comienzos como una herramienta para entender el comportamiento de la economía, la teoría de juegos se usa actualmente en muchos campos, desde la biología a la filosofía. La producción y fabricación ha pasado por varias etapas: una de ellas es la mecanización de los procesos en el que con medios de producción, se perfecciona, se utilizan instalaciones auxiliares, eventualmente con arreglos en el propio proceso tecnológico. La Automatización es el proceso mediante el cual la función de dirección del hombre es substituida por diferentes aparatos e instalaciones en esta fase, la actividad del hombre

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se concentra en la construcción, diseño, producción y mantenimiento de los medios automatizadores. Comando es un tipo de control el cual no se compara el efecto inmediato del mismo, con el resultado esperado. Control es una acción consciente en la que se valora y elabora la información sobre el proceso y de acuerdo con ella se accionan las instalaciones correspondientes de tal manera que se obtenga un fin predeterminado. Regulación es el mantenimiento de ciertos parámetros físicos en valores predeterminados de ante, mano. En el transcurso de la regulación se miden las variables reguladas y se compara con los valores que debe tener, según los errores detectados, que son la medida de la precisión de dicha regulación, se actúa sobre el proceso de regulación de tal manera que los errores se mantengan al mínimo. Un sistema es un arreglo de componentes físicos conectados o relacionados de tal manera que forman una unidad completa o que puede actuar como tal. Ingeniería de sistemas es un modo de enfoque interdisciplinario que permite estudiar y comprender la realidad, con el propósito de implementar u optimizar sistemas complejos. La ingeniería de sistemas integra otras disciplinas y grupos de especialidad en un esfuerzo de equipo, formando un proceso de desarrollo estructurado. Una de las principales diferencias de la ingeniería de sistemas respecto a otras disciplinas de ingeniería tradicionales, consiste en que la ingeniería de sistemas no construye productos tangibles.

Sistema de control Es un arreglo de componentes físicos conectados de tal manera que el arreglo se puede comandar, dirigir o regular así mismo o a otro sistema. La entrada es el estímulo o excitación que se aplica a un sistema de control desde una fuente de energía externa, generalmente con el fin de producir, de parte del sistema de control una respuesta específica. La salida es la respuesta obtenida del sistema de control. Puede ser o no igual a la respuesta especificada que la entrada implica. Tipos básicos de control: - Hecho por el hombre. - Los biológicos o naturales por ejemplo la presión la temperatura, etc. - Hechos por el hombre y biológicos. Clasificación de sistemas de Control: - Sistema de control de lazo abierto. Es aquel en el cual la acción del control es independiente de la salida. Los rasgos sobresalientes de este sistema es la habilidad que estos tienen para ejecutar una acción con exactitud dicha exactitud esta determinada por su calibración.

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Mientras que la calibración es el establecimiento o restablecimiento entre la entrada y la salida con el fin de obtener del sistema la exactitud deseada, referido este a una normal este sistema es estable. - Sistema de control de lazo cerrado. Es aquel en el cual la acción de control es en cierto modo dependiente de la salida a este sistema se le conoce como control de retroalimentación, considerado inestable.

Retroalimentación La retroalimentación, también denominada realimentación o feedback, significa "ida y vuelta" es, desde el punto de vista social y psicológico, el proceso de compartir observaciones, preocupaciones y sugerencias, con la intención de recabar información, a nivel individual o colectivo, para intentar mejorar el funcionamiento de una organización o de cualquier grupo formado por seres humanos. Para que la mejora continua sea posible, la realimentación tiene que ser pluridireccional, es decir, tanto entre iguales como en el escalafón jerárquico, en el que debería funcionar en ambos sentidos, de arriba para abajo y de abajo para arriba. Es esta propiedad de los sistemas de control de lazo cerrado que permite que la salida sea comparada con la entrada al sistema de tal manera que se puede establecer la acción de control apropiada como función de la entrada y la salida. Características de la retroalimentación. -Aumenta la exactitud. - Sensibilidad reducida de la razón de la salida a la entrada. - Efectos reducidos de la linealidad y de la distorsión. - Tendencia a la oscilación o a la inestabilidad. - Aumento del a ancho de banda, es decir, el intervalo de frecuencia (de la entrada sobre el cual el sistema responde satisfactoriamente. En el mundo biológico este fenómeno se da, por ejemplo en el crecimiento celular el numero de células tiende a aumentar según una progresión geométricas sin embargo tal fenómeno está limitado por otros factores que bloquean desde el exterior el crecimiento, superponiendo así una regulación de retracción negativa. La regulación interna de cada organismo y de cada elemento del organismo vivo se produce merced a la aplicación de estos principios, aunque no siempre es posible realizar una distinción clara de los elementos funcionales, tal como es habitual en los esquemas mecánicos. Esta capacidad de regulación en los seres humanos se llama Homeostasis y a través de ella por ejemplo se mantiene constante la temperatura corporal o la presión de la sangre. El sistema nervioso supervisa el funcionamiento del conjunto de estos fenómenos. Existen cuatro tipos de receptores, conectados con otros tantos tipos de neuronas que relacionan al ojo con el cerebro, que proporcionan al animal los cuatro comportamientos elementales. - Los detectores de contorno, que revelan las diferencias de color y luminosidad que delimitan los objetos. - Los detectores de movimiento, que advierten cuerpos de pequeñas dimensiones.

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- Los detectores de vibraciones de contraste luminoso - Los detectores de oscurecimiento

Biochip Un biochip es un dispositivo a pequeña escala, análogo a un circuito integrado, ensamblado de o usado para analizar moléculas orgánicas asociadas con los organismos vivientes. Es en teoría un pequeño mecanismo construido de grandes moléculas orgánicas, tales como las proteínas, capaz de desempeñar las funciones de una computadora (almacenamiento de datos, procesamiento). Otro tipo de biochip, es un pequeño aparato capaz de realizar rápidas reacciones bioquímicas en escala reducida, con el propósito de identificar secuencias genéticas, agentes contaminantes, toxinas aerotransportables u otros elementos bioquímicos. El mayor esfuerzo de investigación teórica y aplicada en el campo de la tecnología electrónica corresponde a la miniaturización de los componentes y de los circuitos electrónicos. Se trata de un desafío de gran relevancia estratégica, ya que a través de la mejora de la presentación de micro componentes, se obtienen mejoras cualitativas en la presentación de los ordenadores y dispositivos electrónicos. Los elementos básicos de estos circuitos llamados Chips, consisten en placas de silicio de gran pureza a nivel atómico, en las que se practican incisiones que, al modificar su retículo constituyen transistores en su masa En 1960 una placa de silicio de1 cm. de lado contenía un solo transistor, mientras que ahora puede contener mas de 100 000.Tal compatibilidad ha permitido reducir proporcionalmente las dimensiones de los circuitos lógicos y de las computadoras ,aumentando de forma sorprendente las potencialidades de calculo y el numero de componentes

Inteligencia artificial La Inteligencia Artificial (IA), también conocida, aplicada o involucrada a términos como Robótica, Autómatas, Sistemas Expertos, etcétera, es una disciplina que envuelve a varias ramas de estudio: la ingeniería, la computación, la psicología, la física, la medicina, la filosofía, la teología y lo que se acumule.

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La Inteligencia Artificial comenzó como el resultado de la investigación en psicología cognitiva y lógica matemática. Se ha enfocado sobre la explicación del trabajo mental y construcción de algoritmos de solución a problemas de propósito general. Punto de vista que favorece la abstracción y la generalidad. El concepto de IA es aún demasiado difuso. Contextualizando, y teniendo en cuenta un punto de vista científico, podríamos englobar a esta ciencia como la encargada de imitar a una persona, a su cerebro, en todas sus funciones, existentes en el humano o inventadas sobre el desarrollo de una máquina inteligente, es decir, el propósito es la creación de máquinas que puedan "pensar". El cerebro, en funcionamiento, está procesando información que se transmite por medio de impulsos electroquímicos activados por las neuronas que son las células de las cuales está constituido el cerebro y que almacenan la información y la difunden a otros sectores del cerebro donde sea requerido. Existen unas 100 mil millones de neuronas en el cerebro humano aunque no todas se ocupan. Dentro de cada chip o circuito integrado, existen los semiconductores que dan una función específica, el fundamental, es el diodo.

Este dispositivo permite que fluya o no, un impulso eléctrico, puede ser dicho impulso, lo que conocemos como (BIT), prendido o apagado, cero o uno. La disposición de diodos en un circuito electrónico nos puede dar un transistor, con el cual podemos tener por lo menos tres alternativas para que fluya un par de impulsos eléctricos. El transistor encapsula a los diodos y por eso está constituido como un solo dispositivo. Con un par de transistores ya se pueden hacer por lo menos efectos de luces secuenciales de Leds. Ahora bien, un conjunto de transistores conectados de determinadas formas y encapsulados nos da una compuerta lógica. La compuerta lógica, es un dispositivo que constituye una serie de operaciones condicionadas para los impulsos eléctricos. Es decir, podemos tener muchos unos y ceros, prendidos y apagados, pasa o no pasa. Con una o dos compuertas lógicas ya se pueden hacer contadores de tiempo o sumadoras básicas, incluso chapas de seguridad electrónicas. Un conjunto de compuertas lógicas a gran escala y de pequeña integración de encapsulado digamos de 4 X 4 cm., ya nos da un microprocesador que puede realizar millones de instrucciones por segundo (MIPS), es decir, millones de encendidos y apagados, de unos y ceros, millones de bits procesándose. Con un microprocesador ya podemos hacer computadoras, máquinas que realizan una tarea especifica en la superficie de un planeta como recoger material de su suelo 64

envolverlo y analizarlo, viajar al espacio sin perder la dirección, detectar dónde hay luz y seguirla o dónde hay una colina y darle la vuelta o graduar el combustible necesario para expulsarlo por los inyectores de un auto, un avión o una nave espacial. Pues bien, si el cerebro tuviera que hacerse con los microprocesadores, compuertas, transistores, diodos, etc., con los que actualmente contamos, tendría el tamaño de una central eléctrica y tardaría varios miles de años en terminarse.

A veces, aplicando la definición de Inteligencia Artificial, se piensa en máquinas inteligentes sin sentimientos, que "obstaculizan" encontrar la mejor solución a un problema dado. Muchos pensamos en dispositivos artificiales capaces de concluir miles de premisas a partir de otras premisas dadas, sin que ningún tipo de emoción tenga la opción de obstaculizar dicha labor. En esta línea, hay que saber que ya existen sistemas inteligentes. Capaces de tomar decisiones "acertadas". Aunque, por el momento, la mayoría de los investigadores en el ámbito de la Inteligencia Artificial se centran sólo en el aspecto racional, muchos de ellos consideran seriamente la posibilidad de incorporar componentes “emotivos” como indicadores de estado, a fin de aumentar la eficacia de los sistemas inteligentes. Particularmente para los robots móviles, es necesario que cuenten con algo similar a las emociones con el objeto de saber en cada instante y como mínimo qué hacer a continuación Al tener “sentimientos” y, al menos potencialmente, “motivaciones”, podrán actuar de acuerdo con sus “intenciones”. Así, se podría equipar a un robot con dispositivos que controlen su medio interno; por ejemplo, que “sientan hambre” al detectar que su nivel de energía está descendiendo o que “sientan miedo” cuando aquel esté demasiado bajo. Esta señal podría interrumpir los procesos de alto nivel y obligar al robot a conseguir el preciado elemento. Incluso se podría introducir el “dolor” o el “sufrimiento físico”, a fin de evitar las torpezas de funcionamiento como, por ejemplo, introducir la mano dentro de una cadena de engranajes o saltar desde una cierta altura, lo cual le provocaría daños irreparables. Esto significa que los sistemas inteligentes deben ser dotados con mecanismos de retroalimentación que les permitan tener conocimiento de estados internos, igual que sucede con los humanos que disponen de propiocepción, interocepción, nocicepción, etcétera. Esto es fundamental tanto para tomar decisiones como para conservar su propia integridad y seguridad.. Esto debe ser diferenciado del conocimiento que un sistema o programa computacional puede tener de sus estados internos, por ejemplo la cantidad de ciclos cumplidos en un loop o bucle en sentencias tipo do... for, o la cantidad de memoria disponible para una operación determinada.

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A los sistemas inteligentes el no tener en cuenta elementos emocionales les permite no olvidar la meta que deben alcanzar. En los humanos el olvido de la meta o el abandonar las metas por perturbaciones emocionales es un problema que en algunos casos llega a ser incapacitante. Los sistemas inteligentes, al combinar una memoria durable, una asignación de metas o motivación, junto a la toma de decisiones y asignación de prioridades en base a estados actuales y estados meta, logran un comportamiento en extremo eficiente, especialmente ante problemas complejos y peligrosos. En síntesis, lo racional y lo emocional están de tal manera interrelacionados entre sí, que se podría decir que no sólo no son aspectos contradictorios sino que son, hasta cierto punto, complementarios.

Principales herramientas de análisis biomecánico Plantillas instrumentadas: Es un sistema de plantillas sensoras para la adquisición y análisis, bien sea en estático o en movimiento, de las presiones en la planta del pie y la evolución de las mismas. En condiciones de carga habitual, es decir, con el pie calzado, se consigue obtener la distribución de presiones generadas en la interfase pie-zapato durante la marcha. Cuentan con una pluralidad de transductores piezoeléctricos definidos por cerámicas piezoeléctricas (6) polarizadas en dirección perpendicular al plano de la superficie mayor, y acopladas en un circuito impreso multicapa. Una placa de caucho (9) posee troquelados donde se sitúan los sensores respectivos y sobre esta placa contacta otra de acetato flexible (11). La superficie inferior cuenta con anillos adhesivos (12) por ambas caras, adheriéndose a ellos respectivos parches de acetato, siendo los anillos adhesivos y parches de acetato (14) de material conductor. El hilo conductor (13) de conexión entre cerámicas (6) se hace pasar entre estos últimos elementos conductores citados. Las señales son tratadas por una cascada de multiplexores (2) fue generan una única señal analógica que se recoge en una tarjeta de adquisición de datos (3) donde será amplificada y convertida a digital para su ulterior

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análisis en un ordenador personal (4), obteniéndose la representación gráfica de las distribuciones de presiones, con imágenes planas y tridimensionales.

Son de utilidad para evaluar el dolor plantar, las prescripciones de la extremidad inferior ortopédicos y su eficacia, en la evaluación funcional y el control evolutivo de las enfermedades musculoesqueléticas y neurológicas y la prevención de úlceras plantares de superficie en las neuropatías.

Baropodómetro electrónico: Pasillo instrumentado con sensores de presión que registran las presiones plantares durante diferentes gestos de locomoción (marcha, trote, carrera, etc.). Útil para interpretar, memorizar e imprimir las presiones, con una específica aplicación en el estudio del pie. Su plataforma modular se puede componer para cada exigencia, está formada por sensores electrónicos de platino revestidos de un captor en caucho, que recoge las informaciones del apoyo plantar conservando la movilidad natural. Las adquisiciones son precisas, instantáneas, repetibles, no evasivas, puede ser con o sin zapatos, y consiguen la redacción de controles radiológicos. Permites controles con video-imagen en tiempo real, compara la marcha antes y después de un tratamiento, con o sin un elemento de corrección. Obteniendo un dato visual preciso de las distintas fases de la marcha. Se puede observar ilimitada el desarrollo de los movimientos corpóreos a una velocidad dentro de la necesidad del profesional, descubriendo patologías y/o control de un tratamiento.

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Este sistema elimina el desgastante esfuerzo del paciente en hacer un movimiento o marcha en forma repetitiva para sus análisis. Esta avanzada tecnología electrónica al servicio del profesional, le permite ampliar y agudizar las observaciones, otorgándole precisión y seguridad en la asistencia de sus pacientes. La información de las presiones (estática, dinámica y postural) es utilizada para profundizar en el diagnóstico clínico y para evaluar áreas de sub y sobre cargas. El sistema se utiliza en centros deportivos de alto rendimiento. Se puede realizar el análisis de presiones dentro de los corsetes y para el estudio postural al estar sentado. Es el sistema óptimo para el análisis de presiones plantares que se utilice adentro del zapato; la información es transmitida e una tarjeta de memoria en tiempo real.

Plataformas de fuerza: plataformas dinamométricas diseñadas para registrar y analizar las fuerzas de acción-reacción y momentos realizados por una persona durante la realización de una actividad determinada. Estas plataformas pueden emplearse en el campo de la Biomecánica para realizar estudios de la marcha en humanos y animales, tanto normal como patológica (traumatismos, amputaciones, trastornos neurológicos, etc.), tienen aplicaciones en ortopedia, como método de ayuda para el diseño y adaptación de prótesis, aplicaciones así como diversas aplicaciones en neurología, rehabilitación, geriatría, traumatología, pediatría, medicina deportiva, ergonómico, en la industria del calzado, campo militar Las plataformas dinamométricas son sistemas de análisis cinético del movimiento que permiten medir las fuerzas que el pie ejerce sobre el plano de apoyo durante la marcha, la carrera o el salto Estas técnicas tienen su fundamento en la tercera ley de Newton principio de acción-reacción- que dice que puede obtenerse el valor de una fuerza externa ejercida sobre una superficie al hallar la fuerza que origina igual en magnitud y dirección, pero de sentido contrario. Toda fuerza aplicada sobre la plataforma dinamométrica producirá una señal eléctrica proporcional a la fuerza que se haya aplicado y que se proyectará en los tres ejes del espacio (x, y, z).

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Una plataforma dinamométrica es una superficie plana cuyo desplazamiento, debido a una fuerza, se puede medir. La plataforma ha de ser rígida, para que dicho desplazamiento resulte imperceptible a la persona que camina, corre o salta sobre dicha plataforma. Para medir estos desplazamientos mínimos las plataformas han de estar equipadas con unos sensores (galgas extensiométricas, cristales piezoeléctricos) conectados a un sistema electrónico de amplificación y registro.

Existen distintos tipos de plataformas de fuerzas; de cristales piezoeléctricos, de galgas extensiométricas, capacitativas, etc. Las plataformas dinamométricas de galgas extensiométricas están compuestas por una plataforma rígida de acero que está montada sobre cuatro columnas en las que se encuentran las galgas extensiométricas. Cuando se ejerce presión sobre la plataforma se producen pequeñas tensiones sobre las columnas que la soportan y esto origina cambios sobre las galgas. La medición de esos cambios se utiliza para obtener la fuerza resultante en los tres eje del espacio, asimismo se puede determinar el punto de aplicación de dicha fuerza en cada momento del apoyo. Las plataformas dinamométricas piezoeléctricas se basan en el mismo principio de cambio de resistencia eléctrica pero en su diseño se emplea material con propiedades piezoeléctricas, lo que tiene como consecuencia la creación de pequeñas cargas de electricidad estática dentro del material como respuesta a la presión ejercida. La componente vertical es la de mayor magnitud y está relacionada con la gravedad (peso del cuerpo actuando sobre el pie).

Al estudiar la gráfica de esta componente vertical se observa una curva con dos picos (choque de talón y empuje), el primero de ellos situado al inicio y el segundo al final de la gráfica, los cuales coinciden con las dos fases de doble apoyo que tienen lugar en cada ciclo de la marcha.

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Los valores que se registran en esos dos picos son superiores al peso del cuerpo y su magnitud se modifica con las variaciones de la velocidad. Entre ambos picos existe un valle que correspondería a la fase de apoyo monopodal o de apoyo del pie, en que todo el peso del cuerpo recae sobre la extremidad inferior apoyada en el suelo. Las fuerzas paralelas, anteroposterior y mediolateral son de menor magnitud y están originadas por las fuerzas de fricción entre el pie y el suelo. La componente anteroposterior está representada por una curva que en su inicio indica la deceleración o frenado que se produce en el choque de talón y que alcanza su máximo valor en la fase de doble apoyo, posteriormente la fuerza disminuye hasta hacerse cero en el momento del apoyo monopodal, cuando el centro de gravedad se encuentra sobre el pie que soporta toda la carga, después se observa un nuevo pico en la gráfica que alcanza un valor máximo cuando se inicia la fase de apoyo bipodal. La componente mediolateral es la de menor magnitud. Indica las desviaciones laterales del pie durante la marcha. Su amplitud es mayor cuando aumenta la inestabilidad del sujeto. Por último las fuerzas de torsión son aquellas que traducen los movimientos de rotación interna y externa de la extremidad inferior durante el proceso de deambulación.

Gráfica de las fuerzas. En azul están representadas las fuerzas verticales, en verde las anteroposteriores y en rojo las mediolaterales.

Electromiografía: EMG o miograma es una técnica de diagnóstico médico consistente en un estudio neurofisiológico de la actividad bioeléctrica muscular. Clásicamente, el mismo término EMG engloba también a la electroneurografía (el estudio de los nervios que transmiten la orden motora al aparato muscular) si bien en la actualidad se usa cada vez más en este sentido la palabra electroneuromiografía (ENMG). La técnica consiste en la aplicación de pequeños electrodos de bajo voltaje en forma de agujas en el territorio muscular que se desea estudiar, midiendo la respuesta y la conectividad entre los diferentes electrodos. La electromiografía es una prueba médica, realizada por un médico especialista neurofisiólogo, que permite el estudio del sistema nervioso periférico y muscular, y así saber si el paciente tiene alguna enfermedad a ese nivel, localización y gravedad. Por tanto, se utiliza para conocer el diagnóstico y la localización de la enfermedad, y en muchos casos la intensidad de la lesión. De esta forma, se puede orientar al médico especialista sobre el diagnóstico y tratamiento a seguir. Para llevar a cabo la exploración es necesario dar unos pequeños estímulos en diferentes nervios del cuerpo y detectar las respuestas a los mismos, o a contracciones voluntarias

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del paciente, a través de un osciloscopio. Para ello es necesario introducir un electrodo (aguja) desechable de exploración, en las zonas afectadas. El tejido muscular es eléctricamente neutro cuando está en reposo, por lo que no se detecta actividad nerviosa en el osciloscopio. Durante la contracción (voluntaria o provocada) se producen unos patrones característicos de conducción nerviosa que pueden ser detectados mediante esta prueba. El origen del impulso nervioso detectado está en el potencial de membrana de las células musculares (entre el interior y el exterior de dichas células hay una diferencia de potencial de en torno a -70mV). Las medidas recogidas en el electromiograma pueden oscilar entre los 50 μV y los 20 o 30 mV, dependiendo del músculo a estudiar (músculos más grandes desarrollan potenciales eléctricos mayores al coordinarse las fibras musculares entre sí).

Las primeras prótesis Desde la época de las antiguas pirámides hasta la Primera Guerra Mundial, el campo de la protésica se ha transformado en un sofisticado ejemplo de la resolución del hombre por mejorar.

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La evolución de la protésica es larga y está plagada de historias, desde sus comienzos primitivos, pasando por el sofisticado presente, hasta las increíbles visiones del futuro. Al igual que sucede en el desarrollo de cualquier otro campo, algunas ideas e invenciones han funcionado y se han explorado más detalladamente, como el pie de posición fija, mientras que otras se han dejado de lado o se han vuelto obsoletas, como el uso de hierro en las prótesis.

El largo y complejo camino hacia la pierna computarizada comenzó alrededor del año 1500 a. C. y, desde entonces, ha estado en constante evolución. Han habido muchos perfeccionamientos desde las primeras patas de palo y los primeros ganchos de mano, y el resultado ha sido la fijación y el moldeado altamente personalizados que se encuentran en los dispositivos actuales. No obstante, para poder apreciar todo el camino que se ha recorrido en el campo de la protésica, primero debemos remontarnos a los antiguos egipcios.

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La historia de las prótesis se remonta a la antigüedad ya que la amputación es un tema que ha acompañado al hombre durante toda su existencia. En las primeras culturas las prótesis no eran más que simples muletas o copas de madera y cuero que protegían al muñón. Poco a poco estas prótesis se fueron modificando para tener un mayor rango de movimiento y darle más libertad a la persona. No se sabe con exactitud en que momento se empezaron a utilizar las prótesis pero uno de los primeros registros escritos del uso de una prótesis es el “Rig Veda”. Este antiguo texto sagrado hindú escrito en sánscrito entre 3500 y 1800 A.C. cuenta la historia de la reina guerrera Quenn Vihspla quien perdió su pierna en una batalla, ésta fue reemplazada por una prótesis de hierro y así pudo regresar a la batalla. En el año 2000, arqueólogos alemanes encontraron en la necrópolis egipcia del oeste de Tebas una momia de sexo femenino (1550 y 1300 a. C.) con una prótesis en el dedo gordo de su pie derecho. Para realizarla, se tallaron tres piezas de madera marrón, las cuales se sujetaron al pie con correas de cuero, y es ésta la prótesis más antigua que se ha encontrado. La prótesis es un dedo del pie totalmente articulado, además de poseer evidentes signos de uso. Está adherida al pie de una mujer que murió a los 50 años aproximadamente y está momificada. Para poder descifrar su estructura se recurrió a los rayos X: las radiografías revelaron la extirpación quirúrgica del dedo en cuestión, tal vez a consecuencia de una enfermedad arterial; marcas de arañazos en la base de la prótesis indican que sirvió de apoyo a la mujer mientras estaba viva, y sin la cual hubiera sufrido una grave cojera.

A esta leyenda podemos sumar el mito griego de Pélope, joven nieto de Zeus a quien mató y cocinó su padre Tántalo, con el objetivo de poner a los dioses una prueba peculiar: ¿eran capaces de distinguir la carne humana de otro tipo de carne? Démeter, diosa de la agricultura, se comió el hombro izquierdo de Pélope; al darse cuenta de que era un hombre, le devolvió la vida y mandó le hicieran un hombro protésico de marfil, cuyo fabricante fue Hefesto, dios de los herreros, los artesanos, los escultores, la metalurgia y el fuego. En su Historia, Herodoto (485-420 a. C.) menciona a Hegistrato de Elis, un vidente al cual condenaron a muerte los espartanos: para que no escapara, lo sujetaron por la pierna en espera de su ejecución, pero Hegistrato se amputó el pie y consiguió viajar 30 millas, hasta Tregea. Cuando los espartanos lo apresaron de nuevo en Zaccynthius, se

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dieron cuenta de que se había colocado un pie de madera para el escape. Lo ejecutaron rotándole la cabeza.

El surgimiento de las grandes civilizaciones egipcia, griega y romana le comenzó a dar a la medicina un enfoque más científico y por ende la prostética también tuvo un mayor desarrollo. En 1858 se encontró en Capua, Italia, una de las prótesis más antiguas. Esta prótesis romana construida con un núcleo de madera, una cobertura de bronce y ataduras de piel, aparentemente, pertenecía a un amputado por debajo de la rodilla, data de las guerras samitas alrededor de 300 A.C. El erudito romano Plinio el Viejo (23-79 d. C.) escribió sobre un general romano de la Segunda Guerra Púnica (218-210 a. C.) a quien le amputaron el brazo derecho. Se le colocó una mano de hierro para que sostuviera el escudo y pudo volver al campo de batalla. En la Alta Edad Media hubo pocos avances en el campo de la protésica, además del gancho de mano y la pata de palo. La mayoría de las prótesis elaboradas en esa época se utilizaban para esconder deformidades o heridas producidas en el campo de batalla. A un caballero se le colocaba una prótesis diseñada solamente para sostener un escudo o para calzar la pata en el estribo, y se prestaba poca atención a la funcionalidad. Fuera del campo de batalla, solamente los ricos tenían la suerte de contar con una pata de palo o un gancho de mano para las funciones diarias. Era frecuente que los comerciantes, incluidos los armeros, diseñaran y crearan extremidades artificiales. Personas de todos los oficios solían colaborar para elaborar los dispositivos; los relojeros eran particularmente buenos para agregar funciones internas complicadas con resortes y engranajes.

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El Renacimiento fue el surgimiento de nuevas perspectivas para el arte, la filosofía, la ciencia y la medicina. Retomando los descubrimientos médicos relacionados con la protésica de los griegos y los romanos, se produjo un renacer en la historia de la protésica. Durante este período, las prótesis generalmente se elaboraban con hierro, acero, cobre y madera.

Después del Renacimiento, entre 1600 y 1800 con los avances y descubrimientos en medicina se observa un refinamiento en las prótesis volviéndose más funcionales. En 1508, se elaboró un par de manos de hierro tecnológicamente avanzadas para el mercenario alemán Gotz von Berlichingen después de que perdió su brazo derecho en la batalla de Landshut. Era posible manejar las manos fijándolas con la mano natural y moverlas soltando una serie de mecanismos de liberación y resortes, mientras se suspendían con correas de cuero. Alrededor de 1512, un cirujano italiano que viajaba por Asia registró observaciones de un amputado bilateral de extremidad superior que podía quitarse el sombrero, abrir su cartera y firmar. Circuló otra historia de un brazo de plata elaborado para el almirante Barbarossa, que luchó contra los españoles en Bougie, Algeria, para un sultán turco. Muchos consideran al barbero y cirujano del Ejército Francés Ambroise Paré el padre de la cirugía de amputación y del diseño protésico moderno.

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Introdujo modernos procedimientos de amputación (1529) en la comunidad médica y elaboró prótesis (1536) para amputados de extremidades superior e inferior. Además, inventó un dispositivo por encima de la rodilla, que consistía en una pata de palo que podía flexionarse en la rodilla y una prótesis de pie con una posición fija, un arnés ajustable, control de bloqueo de rodilla y otras características de ingeniería que se utilizan en los dispositivos actuales. Su trabajo demostraba, por primera vez, que se había comprendido verdaderamente cómo debería funcionar una prótesis.

Un colega de Paré, el cerrajero francés Lorrain, hizo una de las contribuciones más importantes en este campo cuando utilizó cuero, papel y pegamento en lugar de hierro pesado para elaborar una prótesis. En 1696, Pieter Verduyn desarrolló la primera prótesis por debajo de la rodilla sin mecanismo de bloqueo, lo que más tarde sentaría las bases de los actuales dispositivos de articulación y corsé. En 1800, el londinense James Potts diseñó una prótesis elaborada con una pierna de madera con encaje, una articulación de rodilla de acero y un pie articulado controlado por tendones de cuerda de tripa de gato desde la rodilla hasta el tobillo. Se hizo famosa como la “Pierna de Anglesey” por el marqués de Anglesey, que perdió su pierna en la batalla de Waterloo y fue quien utilizó esta pierna. Más tarde, en 1839, William Selpho trajo la pierna a los EE. UU., donde se la conoció como la “Pierna Selpho”.

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En 1843, Sir James Syme descubrió un nuevo método de amputación de tobillo que no implicaba una amputación a la altura del muslo. Esto fue bien recibido dentro de la comunidad de amputados porque representaba una posibilidad de volver a caminar con una prótesis de pie en lugar de con una prótesis de pierna. En 1846, Benjamin Palmer no encontró razón para que los amputados de pierna tuvieran espacios desagradables entre los diversos componentes y mejoró la pierna Selpho al agregarle un resorte anterior, un aspecto suave y tendones escondidos para simular un movimiento natural.

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Douglas Bly inventó y patentó la pierna anatómica Doctor Bly en 1858, a la que se refería como “el invento más completo y exitoso desarrollado alguna vez en el área de las extremidades artificiales”. En 1863, Dubois Parmlee inventó una prótesis avanzada con un encaje de succión, una rodilla policéntrica y un pie multiarticulado. Más tarde, en 1868, Gustav Hermann sugirió el uso de aluminio en lugar de acero para que las extremidades artificiales fueran más livianas y funcionales. Sin embargo, el dispositivo más liviano tendría que esperar hasta 1912, cuando Marcel Desoutter, un famoso aviador inglés, perdió su pierna en un accidente de avión y elaboró la primera prótesis de aluminio con la ayuda de su hermano Charles, que era ingeniero. A medida que se desarrollaba la Guerra Civil Estadounidense, la cantidad de amputados incrementaba en forma astronómica, lo que obligó a los estadounidenses a ingresar en el campo de la protésica. James Hanger, uno de los primeros amputados de la Guerra Civil, desarrolló lo que más tarde patentó como la “Extremidad Hanger”, elaborada con duelas de barril cortadas. Personas como Hanger, Selpho, Palmer y A.A. Marks ayudaron a transformar y hacer progresar el campo de la protésica con los perfeccionamientos que impusieron en los mecanismos y materiales de los dispositivos de la época. A diferencia de la Guerra Civil, la Primera Guerra Mundial no fomentó mucho el avance en este campo. A pesar de la falta de avances tecnológicos, el Cirujano General del Ejército en ese momento comprendió la importancia del debate sobre tecnología y desarrollo de prótesis; con el tiempo, esto dio lugar a la creación de la Asociación Estadounidense de Ortoprótesis (AOPA, por sus siglas en inglés). Después de la Segunda Guerra Mundial, los veteranos estaban insatisfechos por la falta de tecnología en sus dispositivos y exigían mejoras. El gobierno de los EE. UU. Cerró un trato con compañías militares para que mejoraran la función protésica en lugar de la de las armas. Este acuerdo allanó el camino para el desarrollo y la producción de las prótesis modernas. Los dispositivos actuales son mucho más livianos, se elaboran con plástico, aluminio y materiales compuestos para proporcionar a los amputados dispositivos más funcionales. Además de ser dispositivos más livianos y estar hechos a la medida del paciente, el advenimiento de los microprocesadores, los chips informáticos y la robótica en los dispositivos actuales permitieron que los amputados recuperen el estilo de vida al que estaban acostumbrados, en lugar de simplemente proporcionarles una funcionalidad básica o un aspecto más agradable. Las prótesis son más reales con fundas de silicona y pueden imitar la función de una extremidad natural hoy más que nunca. Al explorar la historia de la protésica, podemos apreciar todo lo que implicó la elaboración de un dispositivo y las perseverantes generaciones que hicieron falta para garantizar que el hombre pueda tener no solo las cuatro extremidades sino también la función.

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Prótesis parciales de pie, Syme, desarticulación de la rodilla y bilaterales De la rodilla y bilaterales Los principios biomecánicos que se aplican en el diseño, la fabricación y la adaptación de las prótesis por debajo y por encima de la rodilla se aplican también a otros niveles de amputación. En todos los casos, la prótesis debe contener al muñón en un encaje que permita distribuir las fuerzas de carga del peso sobre estructuras anatómicas que puedan tolerar la presión, como sobre un hueso plano. Los mecanismos de las articulaciones simularán la marcha normal, tanto como sea posible. La prótesis debe ser ligera de peso y resistente, permitiendo que el paciente ande, se sienta y ejecute otras actividades de la vida cotidiana con cierta facilidad .

Prótesis parciales del pie Las amputaciones parciales del pie pueden ser causadas por heridas por aplastamiento u otros traumas, por insuficiencia vascular que conduce a una gangrena localizada y por deformidades graves que pueden causar dolor o invalidez. Aunque todos los niveles de amputación del pie producen deficiencias en la carga y en la marcha, la necesidad y el diseño de la restauración protésica varían con la extensión de la pérdida. En la amputación de uno o más de los dedos pequeños del pie, la pérdida cosmética y funcional es mínima, y no se necesita ninguna restauración o tal vez se puede usar un material suave y resistente como relleno de los dedos. Sin embargo, si no hay dedos gordos o hay una desarticulación metatarsofalángica completa, la pérdida funcional es mayor, ya que disminuye la fuerza de empuje durante la última parte de la fase de apoyo. Estos pacientes necesitan una plantilla construida sobre el molde del pie, con un arco plantar de apoyo y rellenar el espacio que ocupaban los dedos. Se debe usar un muelle flexible de acero para mantener la forma de la parte anterior del zapato. Las amputaciones transmetatarsales y tarsometatarsales (Lisfranc) dan como resultado deficiencias funcionales más graves, ya que pierden las estructuras que descargan el peso del cuerpo en las cabezas metatarsales. La parte restante del pie tiende a colocarse en posición equino, el extremo del muñón es más sensible, al quedar el pie muy acortado no es capaz de empujar el cuerpo hacia adelante, en la fase de despegue. Para superar estas dificultades, el aparato lleva una suela rígida Y plana, que se extiende hasta lo que sería la articulación tarsometatarsiana normal, con una almohadilla dista1 para proteger el muñón, y una ranura transversal para que doble la punta del pie formada por un relleno de los dedos. En algunos casos se necesita colocar unos tirantes de suspensión sujetos sobre el tobillo y/o una barra metatarsal en la suela del zapato. Si el calcáneo tiende a desviarse en varo o valgo, la suela debe extenderse por detrás para envolver y estabilizar el talón. Las amputaciones transmetatarsales presentan además el problema de conexión. Esto puede controlarse un poco moldeando la porción anterolateral de la suela plana para que envuelva más área metatarsal. En la amputación mediotarsiana, llamada de Chopart, queda solo el calcáneo y el astrágalo. Por ello, para estabilizar el tobillo, la prótesis debe extenderse 79

considerablemente sobre los maleolos en forma de encaje, de plástico, que envuelva el muñón y la pantorrilla. Se deja una abertura posterior que permite la entrada del muñón en el encaje y la prótesis se mantiene firme en el muñón cuando está cerrada. El pie protésico debe poder flexionar la parte anterior del mismo y el talón del zapato requiere modificaciones para proporcionar un aumento de compresión, al apoyar el talón para simular la flexión plantar. Ya que la sensibilidad del extremo dista1 prevalece en todas las amputaciones parciales del pie, los zapatos se llevarán con tacones lo suficientemente bajos como para prevenir que el muñón se deslice hacia adelante. Desde un punto de vista médico-quirúrgico, los pacientes con un muñón adecuado son capaces de conseguir una función bastante satisfactoria.

Prótesis de Syme En el año 1840, el Dr. James Syme de Edimburgo, desarrolló una amputación de desarticulación del tobillo, en la cual cortó transversalmente la tibia y el peroné inmediatamente por encima a sus superficies articulares, y fijó distalmente los tejidos del talón para que el extremo del muñón fuera capaz de descargar la mayor parte o todo el peso del cuerpo. Este procedimiento se usa para mejorar los traumatismos graves, las infecciones o las deformidades del pie, así como algunos casos de enfermedad vascular. El amputado se beneficia de una mayor capacidad de carga en el extremo del muñón, y al ser éste más largo controla mejor la prótesis. Las desventajas son el peligro de tener mala cicatrización y la formación de espolones, así como la forma bulbosa del extremo del muñón, que es poco estética. La prótesis original de Syme consistía en un encaje de cuero, con barras de acero a los lados, y un pie protésico de eje sencillo.

La primera modificación que se hizo de este diseño se desarrolló en Toronto. La prótesis de Syme canadiense consiste en un encaje de plástico laminado, sujeto a un pie SACH modificado. Como el encaje se conforma sobre un molde de escayola del muñón,

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se pueden variar las proporciones de carga entre el extremo y la parte proximal, según las necesidades del amputado. El diseño canadiense tiene una pared posterior móvil (sujeta por un tirante) para permitir la entrada del muñón. En otro diseño se hizo una ventana en la parte medial, con el objeto de aumentar la resistencia de plástico, y una vez colocado el muñón se sujeta con dos correas. El extremo dista1 bulboso está encerrado completamente en el encaje, y la prótesis se mantiene sin ninguna suspensión.

Recientemente, los protésicos han intentado aumentar la resistencia y mejorar la apariencia de la prótesis de Syme con el encaje, sin ventana móvil, en aquellos pacientes cuyo extremo del muñón no es excesivamente bulboso. La prótesis tiene una pantorrilla en la cual todas las circunferencias son iguales a la del extremo dista1 del muñón. Para llenar el espacio que queda entre la pantorrilla de plástico y el muñón, se emplea material colocado en el interior del encaje, o para que el paciente lo coloque en el muñón antes de ponerse la prótesis, aunque la prótesis es necesariamente más voluminosa de lo que fuera necesario a nivel de la parte media de la pantorrilla, la apariencia externa es bastante estética.

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Además, la laminación en una pieza produce una prótesis más fuerte, aunque no más pesada que los tipos canadiense y VAPC, con ventanas móviles. El amputado adaptado a una prótesis de Syme es capaz de realizar todas las funciones, tan bien o mejor que un amputado por debajo de la rodilla, sentarse, ponerse de pie, andar y subir cuestas. Estos pacientes disfrutan además de las ventajas, de una prótesis que tiene sus-pensión propia y una transmisión del peso del cuerpo a través del esqueleto de una forma normal.

Prótesis de desarticulación de la rodilla Se usan tres tipos de procedimientos quirúrgicos para las amputaciones, en la proximidad de la articulación de la rodilla. Son las amputaciones tenoplásticas (Kirk, Callender, etc.) en las cuales el extremo seccionado del fémur se cubre con el tendón del cuadriceps; la amputación osteoplástica (Gritti-Stokes) que lleva consigo la artrodesis de la rótula al extremo seccionado del fémur, y la verdadera desarticulación o amputación a través de la rodilla, que es la más simple y menos traumática de las tres y la única que conserva la epzfisis femoral distal. Con estos procedimientos quirúrgicos, el paciente queda con un largo segmento de muslo, con capacidad de apoyo en el extremo, y una forma dista1 bulbosa que sirve para la suspensión y control rotatorio de la prótesis. Además de la importante ventaja de la transmisión del peso a través del fémur, que elimina la necesidad del apoyo isquio-glúteo, las consideraciones biomecánicas relativas a las prótesis para amputaciones a través de la rodilla, son similares a las de por encima de la rodilla. Durante la primera parte de la fase de apoyo, la estabilidad de la rodilla se obtiene por la acción de los extensores de la cadera y el alineamiento de la prótesis con el eje de la rodilla posterior a la vertical, mientras que en la fase de apoyo medio, la estabilidad mediolateral la proporcionan losabductores de la cadera y la pared lateral del encaje. En ambos casos, hay una reducción de las presiones de contacto entre el encaje y el muñón, debido a la longitud del hueso y la mayor área de presiones. La fase de balanceo necesita una buena suspensión de la prótesis y el control del movimiento de la pantorrilla. En contraste con el amputado por encima de la rodilla, tiene muy poca necesidad de un aparato de suspensión, como succión, vendaje Silesiano o cinturón pélvico. Más bien, la retención del encaje en el muslo se lleva a adaptación y fijación alrededor del extremo del muñón. De todas formas, esto resulta un problema para colocarse la prótesis.

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En las prótesis antiguas, este problema se solucionaba haciendo un encaje de cuero con una abertura anterior con cordones o cierres, sin embargo al ponerse y quitarse el encaje, era incómodo y se tardaba mucho tiempo, el cuero no era higiénico y duraba menos que el plástico o la madera.

Recientemente, se han construido algunos encajes de poliéster laminado. Para los pacientes que tienen muy bulboso el extremo del muñón, se construye una ventana en el encaje de plástico que permita el peso del extremo voluminoso del muñón por la zona más estrecha con cuero moldeado. Si las diferencias en circunferencias del muñón son pequeñas, el encaje puede hacerse con un revestimiento de plástico flexible o con rellenos de material blando. Finalmente, se puede conseguir el mismo objetivo de adaptación con una inserción móvil que se pone el amputado antes de colocarse la prótesis. Ya sea la prótesis con ventana o no, el encaje debe tener una forma cuadrilateral en la parte proximal para dificultar la rotación. Ya que el amputado por desarticulación de la rodilla puede transmitir el peso a través del fémur, el encaje no necesita llegar al isquión ni tampoco tanta flexión inicial como el amputado por encima de la rodilla. Para controlar el movimiento de la pantorrilla durante la fase de balanceo, las prótesis antiguas llevaban barras a los lados, con articulación de la rodilla de eje sencillo y ayuda a la extensión, o una pieza de rodilla convencional debajo del encaje. Con la primera solución se nota la falta de un mecanismo de control de fricción para suavizar el balanceo de la pantorrilla protésica, mientras que con la última hay la desventaja de un desplazamiento dista1 del centro de la rodilla que produce una marcha asimétrica. Además, al sentarse sobresale demasiado la rodilla, y siendo la pantorrilla más corta, no permite que el pie llegue al suelo. Para resolver estos problemas, se utilizan mecanismos de control hidráulico o neumáticos, por medio de un pequeño cilindro que consigue un control excelente de la fase de balanceo y una variación de la cadencia, y que sin interferir en la posición del eje de la rodilla, se aloja dentro de la pantorrilla y, se sujeta por el otro extremo al encaje.

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Uno de estos modelos lleva incorporado un juego de cuatro barras policéntricas para mejorar la estabilidad de la rodilla, montado en una pantorrilla endoesquelética con todo el sistema metido en una cubierta cosmética blanda.

Prótesis bilaterales

El amputado bilateral más frecuente es una persona de edad avanzada, que sufre una amputación por enfermedad vascular y después de un período de tiempo variable, necesita la amputación del otro miembro opuesto. Si el individuo se adapta y usa la prótesis antes de la segunda amputación, 1a adaptación a la amputación bilateral será mucho más fácil que la de un paciente sin experiencia protésica previa. El diseño de la prótesis es esencialmente el mismo que para los amputados unilaterales. Sin embargo, como el uso de los miembros artificiales supone un gran gasto de energía, las prótesis deben ser lo más ligeras que sea posible, sin comprometer la integridad estructural. Se debe tener especial cuidado en evitar que las superficies mediales golpeen una contra la otra durante la marcha, ya que esto produciría inestabilidad y un desgaste excesivo de la ropa y las prótesis. Muchos amputados bilaterales usan uno o dos bastones o muletas, para ampliar la base de apoyo y para aumentar la fuerza en el despegue del talón.

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Nueva generación de prótesis para personas con amputaciones La prótesis, diferente a cualquier otra, propulsa a los usuarios usando un motor eléctrico y resortes similares a tendones. El dispositivo prototipo reduce la fatiga, mejora el equilibrio, y proporciona a los usuarios un modo de andar más fluido y verdaderamente natural. Este diseño produce tres veces el empuje de una prótesis convencional. La misión es mejorar la vida de individuos con mutilación en una extremidad, mediante restauración del tejido, rehabilitación avanzada y la elaboración de nuevas prótesis que les proporcionen mejor movilidad y control de sus extremidades, y reduzcan la incomodidad y las infecciones comunes con las prótesis actuales. Cobran importancia la ingeniería de tejidos, ortopedia, neurotecnología, diseño protésico y rehabilitación. La meta es combinar estas técnicas complementarias para crear extremidades "biohíbridas" compuestas de materiales biológicos y artificiales, una combinación de hombre y máquina. El objetivo es desarrollar extremidades artificiales que funcionen como las biológicas. El nuevo tobillo-pie robótico es un buen ejemplo de cómo estas investigaciones de vanguardia mejoran la vida de las personas amputadas. Hasta ahora, las prótesis no habían podido reproducir las complejas funciones de nuestros pies y tobillos al caminar y correr. El ingenioso diseño computerizado de esta nueva prótesis cambia todo esto, debido a que constantemente "piensa" y responde, permitiendo a la persona caminar o correr de forma más natural y confortable.

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Un pie robótico, capaz de moverse, subir y bajar escaleras y apoyarse como si realmente fuera el miembro perdido. La informática, la electrónica y la ortopedia se han confabulado para desarrollar una prótesis que acabará con muchos de los problemas y los traumas psicológicos que genera los problemas de movimiento causados por la amputación de esta extremidad. Es el Proprio Foot, creado por la empresa islandés Ossur.

La utilización de microprocesadores en el campo de la ortopediano es nueva. Ya en los últimos años, han aparecido rodillas artificiales con sensores capaces de detectar la velocidad y el peso de cada usuario para adaptarse a sus necesidades. Pero los pies seguían siendo una pieza más o menos estática del mecanismo. El Proprio Foot, sin embargo, permite recuperar la función de los músculos de este órgano, fundamental para caminar. Para ello cuenta con unos sensores microelectrónicas conectados con un programa informático, que reemplazan al músculo perdido.

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Estos dispositivos son capaces de muestrear hasta 1.000 veces por segundo la información sobre los movimientos que realiza la persona, datos que envía al cerebro informático que forma parte del pie biónico. Es ahí donde se comparan con el perfil almacenado de esa persona (su peso, su edad, su peculiar forma de caminar) y donde se rota el tobillo hasta la posición adecuada. Un pequeño motor instalado en esta zona permite impulsar este talón arriba y abajo, haciendo que el paso sea lo más natural posible. Y una pequeña y potente batería (recargable, claro) se responsabiliza de proporcionar la energía. Muchas son las ventajas que los investigadores atribuyen a la innovadora prótesis. Aseguran que este sistema de inteligencia artificial «es capaz de dar la respuesta adecuada a cada paso», que facilita «una marcha simétrica y estable» y, sobre todo, que aumenta la sensación de seguridad, algo fundamental para quien ha sufrido una amputación. Subir y bajar las escaleras o escalar una rampa son las situaciones en las que esta nueva tecnología es manifiestamente más eficaz que la existente hasta ahora: al primer escalón, el pie identifica que el terreno ha cambiado y da las instrucciones adecuadas al tobillo para que suba o baje con naturalidad. También permite que levantarse de una silla resulte más sencillo.

Ya existen piernas ortopédicas con Bluetooth. Normalmente las prótesis de piernas antiguas, necesitan ser programadas para que funcionen, y requieren mucho más movimiento del músculo restante del amputado para poder ejecutarse. Pero se están usando unas piernas con Bluetooth para conseguir andar. Poseyendo un par de piernas con emisores de Bluetooth entre cada motor, lo cual les permite conocer el estado de la otra pierna, cómo se está moviendo y así hacer ajustes “sobre la marcha”.

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Biomecánica de las prótesis pro debajo de la rodilla La comodidad, estabilidad y función de una prótesis se logran mediante la aplicación de ciertos principios biomecánicos. En el pasado, la aplicación de estos principios se basaba en las experiencias prácticas fundamentadas en éxitos y fracasos. En los últimos años, las contribuciones en un cierto número de algunos han dado como resultado un claro entendimiento de algunos de estos factores biomecánicos. El propósito de este capítulo es estudiar los principios biomecánicos relacionados con la forma del encaje y la alineación de la prótesis por debajo de la rodilla con una referencia especial a la prótesis por debajo de la rodilla (PTB). La presión como determinante de la comodidad La magnitud de la presión entre el muñón y el encaje es uno de los mayores determinantes de la comodidad de una prótesis. La presión es directamente proporcional a la fuerza aplicada. Esto se expresa en la fórmula P=F/A, en la cual P representa la presión, y F y A representan, respectivamente, la fuerza aplicada y el área sobre la cual se aplica la presión. Para disminuir la incomodidad, es importante evitar que el muñón tenga una presión excesiva. Una manera de reducir la presión es aumentar el área sobre la cual se aplica la fuerza. En principio, parece una cosa sencilla reducir la presión en el muñón, incrementando las áreas de contacto entre el muñón y el encaje. En la práctica no es ta-n fácil, pues los tejidos del muñón no son igual de firmes y algunas áreas del muñón toleran la presión bastante bien, mientras que otras son bastante sensibles. De todas formas, ambos factores pueden combinarse por medio de la forma apropiada que se le de al encaje. Contornos y forma del encaje relacionados con la distribución de la presión

Las figuras 1 y 2 muestran los contornos de las paredes del encaje de dos tipos diferentes de prótesis por debajo de la rodilla. La figura 1 muestra un encaje PTB, mientras que la figura 2 es un tipo de encaje que se usaba antes de que la PTB fue:-a de uso general. Aunque el contorno del encaje de la figura 2 se parece más a la forma del muñón por debajo de la rodilla, el encaje PT73 es el más efectivo de los dos, desde el punto de vista de comodidad y función. Es importante conocer las razones para que esto sea así y, en general, entender los principios que relacionan los contornos y forma del encaje con la distribución de la presión. Una forma de conseguirlo es comprobar estos

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principios con algunos ejemplos sencillos, y después aplicar estos principios a la prótesis. Representamos una barra de acero apoyada en un cubo. La presión en la parte superior del cubo es igual al peso de la barra dividido por el área de la superficie superior del cubo. Tenemos a continuación la misma barra colocada no sólo sobre el primer cubo, sino sobre otros dos cubos idénticos al primero y a la misma distancia entre ellos. En este caso, la presión en el cubo del centro será sólo un tercio de la anterior, mientras que el área de apoyo es tres veces mayor. Estos dos ejemplos ilustran la aplicación de un principio básico en la construcción protésica, esto es, utilizar la mayor área posible para distribuir la fuerza aplicada por el encaje sobre el muñón.

Acomodación a las diferencias de consistencia Como uno de los objetivos más importantes es distribuir la presión sobre los tejidos, a pesar de los diferentes grados de firmeza de los mismos, es necesario hacer modificaciones de la forma del encaje con respecto al muñón. Si los cubos tuvieran las mismas dimensiones, pero no fueran iguales en la consistencia del material, la presión no estaría distribuida equitativamente. Por ejemplo, si el cubo del centro fuera de acero y los otros dos de goma blanda, el cubo de acero soportaría la mayor parte del peso. La distribución del peso se puede mejorar haciendo una muesca en la barra de acero. Como esto debilita la barra, se puede usar una solución alterna. En vez de hacer una muesca muy profunda se pueden añadir a la barra dos tacos. Si se hace la muesca a una profundidad exacta y se aplican tacos del grosor apropiado, se obtendrá una distribución equitativa de la presión.

Un muñón es esencialmente circular en su sección, encerrado en un encaje que se adapta exactamente a la forma externa del muñón. Si el muñón fuera de firmeza uniforme la presión del encaje sobre el muñón también será uniforme. El muñón de la siguiente figura no es de firmeza uniforme. Las áreas indicadas con la letra F son relativamente firmes, mientras que las áreas blandas están indicadas con la letra S. Éste es un diagrama esquemático y las áreas indicadas representan, pero no indican, las zonas de firmeza y las áreas blandas del riñón. Si el encaje estuviera conformado según la forma externa del muñón, la presión no estaría distribuida equitativamente. Las áreas firmes, designadas por la letra F, soportarán relativamente la mayor parte del peso, mientras que las designadas con S soportarán menos peso. Se puede obtener una distribución de la presión más uniforme modificando el encaje, haciendo huecos en las áreas firmes y engrosando la pared interior en las áreas blandas. 89

Efecto de la inclinación relativa de la superficie de apoyo Las presiones en el muñón están muy influidas por la inclinación relativa de las superficies de apoyo que están en contacto con el muñón. Vemos dos hombres sosteniendo una caja que pesa 200 Kg. Si suponemos que el peso de la caja está distribuido por igual, cada hombre tiene que ejercer una fuerza hacia arriba de 100 Kg., y así el empuje combinado igualará el peso de la caja. En la siguiente figura el peso de la caja es el mismo, al no empujar los hombres hacia arriba directamente, sólo serán efectivas para sostener la caja las componentes verticales de las fuerzas que ejercen. Vamos a suponer que la superficie de apoyo tiene una inclinación de 30° con respecto a la horizontal. La dirección de las fuerzas AB y A'B', que están aplicadas perpendicularmente a la superficie de apoyo, están inclinadas 60° con respecto a la horizontal. Si el valor de las componentes verticales de VB y V'B' es igual cada una a 100 Kg., y si los ángulos BAV y B'A'V' son iguales a 60°, es posible calcular la magnitud de las fuerzas que tendrán que ejercerse como sigue:

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Vamos a considerar el mismo caso excepto en que la superficie de apoyo tiene una inclinación de 70° con respecto a la horizontal. La dirección de las fuerzas ejercidas por los hombres tiene una inclinación de 20° con respecto a la horizontal. Las componentes verticales de las fuerzas ejercidas por los hombres deberán ser iguales al peso de la caja. Como antes, cada hombre debe ejercer una fuerza lo suficientemente grande como para que las componentes verticales, representadas por VB y V'B' sean iguales a 100 Kg. cada una. Siguiendo el mismo procedimiento, es posible calcular que la fuerza total que deben ejercer los dos hombres para sostener la caja es de 584 Kg.

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Con una superficie de apoyo que tenga una inclinación de 30° con respecto a la horizontal, la fuerza total aplicada es el 15% mayor que el peso soportado. Con una superficie de apoyo inclinada 70° con respecto a la horizontal, la fuerza aplicada será 2,5 veces mayor que el peso soportado. En conclusión, cuanto más se aproximan las superficies de apoyo a la vertical, mayores tendrán que ser las contrafuerzas que se deben aplicar a un peso dado. Inversamente, cuanto más se aproxime la superficie de apoyo a la horizontal, mayor será la fuerza que se deberá aplicar a una cantidad de peso dada. Aplicando este principio, se ve que es preferible una superficie de apoyo horizontal en un encaje, que una superficie de apoyo inclinada. En el caso de un encaje para una prótesis por debajo de la rodilla, excepto en el amputado de Syme, no hay una superficie horizontal que pueda soportar la mayor parte del peso. Mientras que el fondo de un encaje en una amputación a media pierna puede ser aproximadamente horizontal, el extremo del muñón no puede tolerar una gran carga. Si el muñón por debajo de la rodilla se fija a un encaje en el cual las paredes inclinadas proporcionan la mayor superficie de apoyo, normalmente es necesario descargar parte del peso por medio de un corselete de muslo, a causa de la excesiva presión que se generaría si toda la fuerza de apoyo tuviera que aplicarse al muñón por medio de las paredes del encaje. El corselete de muslo transmite parte del peso por las barras laterales a la articulación de la rodilla y a la pantorrilla de la prótesis, con la reducción correspondiente en la cantidad de peso que debe soportar el encaje en contacto con el muñón. Aunque el corselete de muslo tiene una función muy útil para descargar parte del peso y reducir la presión del muñón, abulta y tiende a producir atrofia en el muslo. Se puede conseguir una superficie de apoyo efectiva fijando el muñón en una ligera flexión inicial y modificando intencionadamente el contorno del encaje, haciendo una prominencia interna para apoyar en el área del tendón de la rótula. Aunque esta área de apoyo no es horizontal, es mucho menos inclinada que otras áreas de apoyo en la pared del encaje. El área del tendón de la rótula puede soportar una parte substancial del peso total. La reducción correspondiente del peso que debe soportar las paredes inclinadas del encaje hace que sea posible en muchos casos suprimir el corselete de muslo y suspender este tipo de prótesis con una correa supracondilea. Aunque el área de apoyo del tendón de la rótula está menos inclinada que otras áreas de apoyo, tiene todavía una pendiente hacia abajo y hacia atrás. Para prevenir esto se requiere una fuerza dirigida hacia adelante. Esta fuerza dirigida hacia adelante se produce por la pared posterior de la prótesis. La pared posterior debe ser lo suficientemente alta como para conseguir la mayor cantidad de área posible sobre la cual distribuir la fuerza, pero no tan alta que moleste al sentarse. No es suficiente que la pared posterior cubra la cara posterior del muñón. La pared posterior del encaje debe aplanarse, o tener un abultamiento hacia dentro, y así los tejidos con los cuales está en contacto estarán bajo una compresión inicial. Si no se hace así el muñón tiende a deslizarse hacia abajo y hacia atrás hasta que los tejidos de la cara 92

posterior del muñón estén lo suficientemente comprimidos para proporcionar una contrafuerza que frene el movimiento. Puede proporcionar un área de apoyo efectivo, la forma hacia dentro del encaje en el área medial de la tibia. Para mantener el muñón en esa superficie inclinada la pared lateral del encaje debe producir una contrafuerza en la parte lateral del muñón. La mayor parte de esta fuerza se ejercerá en la mitad distal o tercio dista1 del muñón.

La alineación y la distribución de presión La alineación es la posición relativa de las variadas partes de la prótesis, unas con respecto a otras, particularmente del encaje y pie en el caso de la prótesis por debajo de la rodilla. La alineación de una prótesis influye en la magnitud y distribución de fuerzas que se aplican al muñón, y así la mayor presión se aplica en las áreas del muñón que están mejor preparadas y son más efectivas para recibirla, y se reduce en las áreas sensibles a la presión. La prótesis está sujeta a fuerzas transmitidas por el muñón desde arriba, y contrafuerzas aplicadas por el suelo desde abajo. Si, en cualquier momento, la resultante de las fuerzas hacia abajo aplicadas por el muñón a las prótesis y las contrafuerzas opuestas aplicadas por el suelo estuvieran actuando a lo largo de la misma línea recta, no habría tendencia del encaje para cambiar su relación angular con respecto al muñón. Si las resultantes de las fuerzas opuestas no son colineales, hay una tendencia a cambiar su relación angular con respecto al muñón. Esta tendencia está compensada por la íntima adaptación del muñón al encaje. Con ello los tejidos de las caras opuestas del muñón están comprimidos mientras tiende a producirse el angular. Las contrafuerzas desarrolladas por la compresión de los tejidos establecen un equilibrio dinámico.

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Longitud del muñón en relación con la presión en el mismo La longitud del muñón tiene una marcada importancia en la magnitud de las presiones que se aplican cuando el encaje tiende a cambiar su relación angular. Estas fuerzas compuestas, que son colineales, constituyen una pareja de fuerzas que tienden a rotar la prótesis en sentido opuesto a las agujas del reloj. En un momento dado, supongamos que la rotación tiene lugar alrededor del eje "0" dibujado en el diagrama. El momento de fuerza generado Por las fuerzas representadas por AB y CD viene dado por la fórmula:

en la cual: M1 = al momento de fuerza debido a AB y CD. AB = fuerza aplicada por el cuerpo sobre la prótesis desde arriba. CD = contrafuerza aplicada por el suelo a la prótesis. d1 = distancia perpendicular desde 0 a la línea de acción de la fuerza AB. d2= distancia perpendicular desde 0 a la línea de acción de la fuerza CD.

La figura muestra las resultantes de las fuerzas aplicadas Por la prótesis, desde arriba, y por el suelo desde abajo.

La siguiente figura representa las contrafuerzas aplicadas a los aspectos proximal medial y distal-lateral del encaje. Los tejidos en las áreas correspondientes están comprimidos a causa del incipiente movimiento del encaje. El movimiento incipiente se detiene cuando el movimiento de resistencia en el sentido de las agujas del reloj desarrollado Por las fuerzas representadas por LL y MM es igual al momento en sentido contrario desarrollado por las fuerzas AB y CD.

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El momento en el sentido de las agujas del reloj, debido a LL y MM, está representado por la fórmula:

en la cual: M2 =momento resultante en sentido opuesto a las agujas del reloj. LL = contrafuerza en la pared lateral del encaje que se desarrolla mientras se comprimen los tejidos. MM = contrafuerza de la pared medial del encaje mientras se comprimen los tejidos. dL = distancia per. pendicular desde 0 a la línea de acción de LL. dM = distancia perpendicular desde 0 a la línea de acción de MM. En un momento determinado, si no tiene lugar ningún cambio en la relación angular entre el encaje y el muñón, es porque las resultantes AB y CD son colineales, o hay un equilibrio dinámico entre los momentos desarrollados por las fuerzas representadas por AB, CD, LL y JW. En el último caso, la relación entre estas fuerzas. y momentos viene dada por la fórmula: (AB.dl) + (CD.d2) - (LL.dL) - (MK.dM) = 0

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En esta figura el muñón es más corto. Para que haya un equilibrio dinámico el valor combinado de LL y WI debe aumentar proporcionalmente para compensar la disminución en longitud de los brazos de palanca. Por esta razón, cuando el encaje tienda a cambiar su relación angular con respecto al muñón estará sujeto a una presión mayor de los que estaría uno más largo bajo las mismas circunstancias. Alineación mediolateral Alineando la prótesis, el protésico puede desplazar el pie hacia la línea media, produciendo una base de apoyo más estrecha. O puede desplazar el pie lateralmente dando como resultado una base de marcha más ancha. Estos desplazamientos son relativamente pequeños en magnitud, pero pueden tener un efecto importante en la presión aplicada al muñón, así como el modelo de marcha.

En la figura se muestra una prótesis alineada con una base estrecha El desplazamiento medial del pie está exagerado en la ilustración. En la práctica, el desplazamiento no es tan grande como se muestra en el dibujo. Para hacer más evidente el efecto de la distribución de presión, el desplazamiento medial del pie tiende a que el encaje cambie su relación con el muñón en la dirección que indica la flecha curvada, con el resultado de un aumento de presión de los tejidos en la parte lateral dista1 y en la medial proximal del muñón. Cuando una prótesis por debajo de la rodilla PTB está alineada con una base para andar relativamente estrecha, es esencial que el encaje tenga la forma y adaptación apropiadas y para que la mayor parte de las fuerzas mediolaterales se distribuyan sobre la parte dista1 lateral o tercio dista1 del muñón, y en la curva superior medial de la tibia y el área de contacto con las caras superior y media del encaje. En la siguiente figura se muestra un desplazamiento lateral exagerado del pie para explicar el efecto de la distribución de la presión. Con esta alineación, el encaje tiende a rotar de forma que la mayor presión se aplica a los aspectos lateral-proximal y medialdista1 del muñón.

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En las dos ilustraciones se puede ver que mientras el pie se desplaza hacia el centro desde una posición inicial lateral, aumenta la presión del muñón, con una disminución relativa de la presión en los aspectos lateral-proximal y medial-dista1 del muñón. Esto es lo que tenemos que conseguir ya que el área lateral proximal es sensible a la presión (cabeza del peroné), mientras que el área medial-proximal tolera bien la presión. Si la prótesis está alineada con una base substancialmente más ancha que la base normal de marcha, el amputado debe recurrir a curvar lateralmente el tronco hacia el lado amputado mientras anda. Hace esto para reducir su tendencia a caer hacia el lado opuesto. La gravedad y la inercia actúan durante la fase de apoyo. El punto de apoyo del pie, que es un punto teórico en el cual se concentran las fuerzas que actúan en el área de apoyo. Cuando, durante la fase de apoyo la proyección del centro de gravedad está medial con respecto al punto de apoyo, la gravedad hace que el cuerpo caiga hacia el lado que no apoya en el suelo.

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Inmediatamente después del apoyo del talón y de que los dedos del pie se levantan del suelo se opone a la tendencia a caer sobre el lado sin apoyo en el suelo, el efecto de inercia que genera el movimiento de lado a lado del cuerpo al andar. Como hemos descrito antes, el centro de gravedad sigue un camino sinusoide. Siguiendo esta línea, el centro de gravedad cambia con respecto a la línea de progresión. Un principio básico en Física es que un cuerpo en movimiento tiende a permanecer en movimiento con velocidad uniforme en línea recta, a no ser que actúe una fuerza que cause un cambio de dirección o de velocidad. El efecto de inercia está representado por la flecha horizontal, llamada 1 en la figura. Por este diagrama se puede ver que la dirección del componente horizontal del efecto de inercia es tal que se opone a la tendencia del cuerpo a caer hacia arriba durante la fase de apoyo. Con una base de marcha ancha, la distancia entre la línea de carga y el punto de apoyo del pie será mayor que lo normal, y la tendencia del cuerpo para caer hacia el lado que no apoya en el suelo aumenta proporcionalmente, a menos que el amputado adopte movimientos compensatorios del cuerpo. Por esta razón, un individuo que anda con una base un poco más ancha que lo normal andará aumentando el movimiento de lado a lado del cuerpo o recurrirá al balanceo lateral del tronco para desplazar el centro de gravedad hacia el punto de apoyo. Alineación anteroposterior Cuando un amputado que lleva una prótesis por debajo de la rodilla anda de una forma que se acerca bastante a la marcha normal, su rodilla se flexiona un poco después del apoyo del talón. La acción de los extensores de la rodilla controla la velocidad y el grado de flexión. A medida que el antepié protésico se acerca al suelo las fuerzas hacia abajo y hacia adelante aplicadas al muñón de la prótesis producen una tendencia a cambiar la relación angular entre el encaje y el muñón en la dirección indicada por la flecha curva de la figura. Contra esta tendencia actúan las contrafuerzas que se desarrollan mientras el encaje incrementa su presión en las caras anterior dista1 y posterior proximal del muñón. Si el amputado controla la velocidad y cantidad de flexión de la rodilla por contracción de sus músculos extensores, la forma del encaje debe adaptarse en relación con las presiones muñón-encaje que se crean en estas áreas. Esto lleva consigo la necesidad de una pared posterior alta, que presiones con fuerza sobre los tejidos de la parte posterior del muñón y un hueco en la cara anterior dista1 del muñón.

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A medida el amputado se acerca al final de la fase de apoyo medio en el ciclo de la marcha, el muslo toma una posición de inclinado hacia abajo y hacia atrás, con respecto al suelo. En ese momento, la contrafuerza aplicada por el suelo al pie protésico restringe la inclinación hacia delante de la prótesis, y tiende a cambiar su relación angular con respecto al muñón, como se muestra en la figura. Este cambio relativo en la relación angular tiende a aumentar la presión en las caras antero-superior y postero-distal del muñón. En la prótesis PTB una correa supracondilea bien colocada ayuda a reducir la presión en el muñón, ya que el movimiento incipiente en la dirección indicada en la figura está resistido por las contrafuerzas desarrolladas al comprimir la correa los tejidos por encima de la rótula. Si el amputado anda de una forma que se aproxima a la marcha normal, durante la última parte de la fase de despegue, la reacción del suelo tenderá a que la prótesis cambie su relación angular con respecto al muñón en la dirección indicada por la flecha curva de la figura. Los tejidos de las caras postero-proximal y antero-dista1 del muñón están sujetos a un aumento de presión, y la contrafuerza que se produce al comprimirse estos tejidos se opone al movimiento. De nuevo, una pared posterior alta y una forma apropiada de la cara anterior dista1 del encaje ayudan a evitar que estas presiones sean excesivas.

En la alineación de la prótesis, el protésico debe tratar de llegar a una alineación óptima antero-posterior del encaje con respecto al pie. Si el anclaje está demasiado desplazado hacia adelante, el muñón del amputado puede estar sujeto a excesivas fuerzas en las áreas antero-dista1 y postero-proximal en el momento del apoyo del talón y durante el final de la fase de despegue. Si el encaje está demasiado atrás, la rodilla puede estar sometida a fuerzas que tienden a producir hiperextensión, justo antes de llegar a la posición de levantamiento del talón.

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Ejes de la rodilla mecánico y anatómico Cuando se usa un corselete de muslo, es un factor importante la alineación de los ejes mecánicos de la articulación de la rodilla de la prótesis con el eje anatómico del amputado, para conseguir una mayor comodidad y función.

Si dos articulaciones de bisagra tienen ejes congruentes, como se muestra en la figura, no hay desplazamiento relativo en el movimiento de las articulaciones. Por otra parte, si los ejes de la articulación no son congruentes, hay un desplazamiento relativo de los dos conjuntos articulares. El eje anatómico de la rodilla humana es policéntrico. El eje de rotación cambia cuando la rodilla realiza los movimientos de flexión y extensión. La articulación mecánica de la rodilla es de tipo bisagra, con un eje simple de rotación, y no es posible mantener una congruencia exacta de los ejes mecánicos y anatómicos cuando la rodilla realiza los movimientos de flexión y extensión. Hay que conseguir una posición óptima del eje mecánico con respecto al eje anatómico de la rodilla del amputado, y así disminuir cualquier problema relacionado con el desplazamiento relativo entre el muñón del amputado, el encaje y el corselete de muslo.

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Prótesis de cadera Evolución histórica de la prótesis de cadera Las prótesis de cadera están indicadas a aquellas personas que padecen dolor crónico que impide al paciente desarrollar una vida cotidiana normal y lo lleva lentamente a una silla de ruedas o a la postración. Esto también afecta psíquicamente al paciente, porque limita las actividades que puede hacer. La evolución histórica de las prótesis de cadera esta estrechamente ligada a los problemas que han ido apareciendo con sus pacientes. Los reemplazos de cadera han evolucionado en relación al sistema de fijación al hueso, a sus diseños, tamaños de cabeza femoral y modularidad.

Triunfos y reveses en la evolución de las prótesis de cadera La era moderna de los reemplazos articulares hizo su aparición en la década de los 60. Esto supuso un gran avance en el tratamiento de la “osteoartritis severa” de cadera en su etapa final. Pronto aparecieron los primeros problemas, debido a que los pacientes que se sometieron a un reemplazo de cadera comenzaron a sufrir una misteriosa erosión del hueso próximo al implante, una enfermedad llamada “osteolisis periprostética”. En un principio se creyó que era debido al cemento utilizado como adhesivo, pero cuando los científicos hallaron la manera de implantar sobre el esqueleto sin el adhesivo, sucedió lo mismo. Después de mucha investigación se descubrió que aparecía una membrana gruesa alrededor del implante, una membrana que generalmente se desechaba. El estudio de esta membrana delató que las células eran macrófagos, o células del sistema inmunológico que persiguen sustancias foráneas. La formación de estas membranas se debe a que la cabeza metálica del implante se frotaba con la cavidad de la articulación de polietileno, por lo que se desprendían partículas de polietileno de tamaño inferior a una micra. El cuerpo detectaba las partículas y enviaba células cazadoras llamadas macrófagos para destruirlas.

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Aunque los macrófagos eran poco eficaces sobre el plástico, continuaban multiplicándose y con el tiempo comenzaban a destruir el tejido óseo circundante. El implante se aflojaba cada vez más hasta que dejaba de funcionar. La solución fue evitar el desgaste del plástico permitiendo que la bola se pudiese orientar hacia cualquier movimiento y no solo para el de caminar. La aparición de problemas de este tipo es lo que origina la evolución de cualquier implante, buscando la máxima durabilidad y eficacia. Evolución de materiales En los últimos tiempos se han desarrollado materiales de mayor duración, lo que permite efectuar este tipo de operaciones en gente más joven. Continuamente se han ido desarrollando nuevos materiales para lograr una mayor duración de la articulación artificial. Lo clásico es una esfera de metal y una cavidad de plástico; pero, últimamente se han desarrollado uniones de metal o cerámica. Cada una de ellas tiene sus características especiales.

1. Acetábulo poroso Cr-Co, 2.Acetábulo macrotec, 3.Acetábulo Malha, 4.Acetábulo Muller, 5.Acetábulo bipolar

Desde la primera artroplastia realizada en 1826 por Jhon Rhea Barton esta técnica quirúrgica ha sufrido numerosas transformaciones. JM Camochan en 1840 tuvo la idea de interponer un material entre las superficies articulares, utilizándose fascia, músculo y piel. Aunque en 1890 un cirujano alemán sugirió la posibilidad de utilizar marfil como material para las artroplastias, siendo la primera ocasión en que se menciona la posibilidad de fijar los implantes con cemento. Sin embargo, no fue hasta 1937 que MN Smith-Petersen introdujo el primer molde de cristal (mezcla de cromo y cobalto). En 1938 intentaron utilizar un material acrílico para sustituir la superficie de la cadera dañada. Ventajas: superficies lisas. Inconvenientes: se afojaba. Por ello decidieron utilizar un acríclico dental para pegar la prótesis a la superficie del hueso. En 1940 se utilizó la primera prótesis metálica, llegando al metílmetracrilato en 1948 y al politretrafluoroetileno (teflón) en 1958, con John Charnley cuando trataba de sustituir la cabeza femoral y el acetábulo de la cadera (cotilo), utilizando para ello el implante de teflón con el objetivo de obtener una unión suave entre este nuevo implante y la bola de metal. El teflón no alcanzó el éxito deseado y lo sustituyó por polietileno, que funcionó correctamente; de hecho, se sigue utilizando en la actualidad junto con el metal, ya que entre estos dos conseguimos una fricción baja.

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Evolución de la forma

Evolución de la forma desde principios de los 80 a nuestros días Tras la obtención de los materiales adecuados para realizar un implante artificial surgió otro reto, el diseño, intentando llegar a aquel que incluya un acetábulo fijo combinado con una cabeza femoral que reduzca la fricción, distribuya las fuerzas y permita mayor libertad de movimiento. El diseño de una prótesis se debe hacer de la forma que se adapte lo más naturalmente posible al sistema óseo. Por ello es importante que las cargas que transmiten los implantes sean iguales o muy parecidas a las que transmiten los huesos a los que sustituyen. Antiguamente los vástagos se hacían más rígidos que el fémur para soportar grandes cargas, pero el hueso que recibe una carga superior a la que debiera empieza a reabsorberse, es un fenómeno conocido como “stress shielding”. Por ello en la actualidad los vástagos poseen una rigidez parecida a la del fémur, ejemplo: aleación de Tivanium® Ti-6Al-4V con diámetros distales menores a 14mm.

Diversidad de formas y tamaños de vástagos Tipos de fijación: -Prótesis cementada: se adhiere al hueso con un tipo de cemento quirúrgico.

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-Prótesis no cementadas: se fijan al hueso con una malla fina de agujeros en la superficie, para que el hueso crezca en la malla y se adhiera naturalmente a la prótesis.

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Uno de los primeros problemas que se plantearon frente a los reemplazos de cadera fue el método de fijación al hueso de un implante artificial (metal y polietileno). Esto se resolvió mediante el uso del cemento ortopédico (metilmetacrilato), pero en el largo plazo se observaron fracasos por la aparición de aflojamiento de los implantes, debido al fallo de la cementación. De aquí nació en los años 80 el concepto de la mal llamada "enfermedad del cemento" que culpaba a éste de la aparición de osteolisis periprotésica, condicionando el aflojamiento de las prótesis. En la actualidad se sabe que ella se produce por una reacción inflamatoria granulomatosa secundaria al desgaste del polietileno y otras micropartículas de metal y cemento.

Clásicamente se utilizaba cemento para fijar la prótesis al hueso, luego se diseñaron prótesis de Titanio, metal que es muy afín al tejido óseo y permite que se produzca una osteointegración de la prótesis al hueso. En los pacientes de edad avanzada se siguen utilizando prótesis fijadas con cemento; pero en los pacientes jóvenes, con buena calidad de hueso, se utilizan prótesis preferentemente de Titanio, sin cemento.

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Prótesis de hombro El hombro fue la primera articulación en ser sustituida por una prótesis en los humanos, fue en 1892 cuando Jules Pean sustituyó una cabeza humeral con un absceso tuberculoso masivo. La primera serie de reemplazamientos protésicos del hombro fue publicada por Neer en 1955. El desarrollo de las prótesis de hombro es más reciente que en la cadera o rodilla. En España, en 1997 se hicieron 107 sustituciones totales de hombro (frente a 14036 de cadera, por ejemplo). Sustituciones parciales de hombro se llevaron a cabo 233.

Recuerdo anatómico El hombro está constituido por la integración de tres huesos: escápula, húmero y clavícula, originando dos articulaciones bien diferenciadas que son la articulación acromioclavicular, formada por el acromion y la porción externa de la clavícula, y la articulación escapulohumeral que la forman la cabeza del húmero y la cavidad glenoidea de la escápula; esta cavidad a su vez está ampliada por el rodete glenoideo, que además de dar una mayor superficie a la articulación le confiere una mayor estabilidad. Además, existen cuatro músculos cortos, que procediendo de la escápula se insertan en la cabeza del húmero y proporcionan una gran parte de la movilidad y estabilidad de la articulación. Estos cuatro músculos, que son el supraespinoso, infraespinoso, subescapular y redondo menor se disponen de tal forma que parece que abrazan la articulación, constituyendo el denominado manguito rotador. En una prótesis de hombro total o parcial, el cirujano ortopédico sustituye la cabeza erosionada del humero por una de metal que se continúa con un tallo (vástago). La cavidad o hueso glenoideo de la escápula se puede sustituir también por un componente de polietileno (plástico). El objetivo fundamental de una prótesis de hombro es aliviar el dolor y mejorar la movilidad de la articulación.

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Biomecánica, rango de movilidad articular El hombro es una enartrosis, y es la articulación dotada de mayor movilidad entre todas las del cuerpo humano; los movimientos de la articulación del hombro se desarrollan en tres sentidos, lo que permite la orientación del miembro superior en relación con los tres planos del espacio: - Eje anteroposterior: dirige los movimientos de abducción (el miembro superior se aleja del plano de simetría del cuerpo y se eleva hasta 180º; a este movimiento de 0º a 90º se le conoce como abducción y de 90º a 180º como elevación; los primeros 20 grados son efectuados por el supraespinoso que fija la cabeza humeral contra la cavidad glenoidea, permitiendo así la acción del deltoides), y adducción (el miembro superior se aproxima al plano de simetría y como es mecánicamente imposible debido a la presencia del tórax, sólo es posible sí va unido a una retropulsión, en la cual la adducción es muy leve o a una antepulsión en la que la adducción alcanza de los 30º a 45º). Ambos movimientos son efectuados en un plano frontal. -Eje transversal: dirige los movimientos de flexión o antepulsión (llevar el miembro superior hacia delante, corresponde a la articulación escapulohumeral de 0º a 90º), y de extensión o retropulsión (llevar el miembro superior hacia atrás, alcanzando una amplitud de 45º a 50º). Ambos movimientos son efectuados en un plano sagital. -Eje longitudinal o de rotación: son movimientos que se realizan sobre el eje longitudinal del húmero. Para medir la amplitud de los movimientos de rotación es obligatoria la flexión del codo a 90º, de este modo el antebrazo está inserto en un plano sagital y en rotación 0º. Dirige los movimientos de rotación externa (amplitud de 80º, no llega a los 90º; y es realizado por el supraespinoso, infraespinoso y redondo menor) y rotación interna (amplitud de 95º, para lograrlo es imprescindible cierto grado de retropulsión, para que el antebrazo se coloque detrás del tronco; es realizado por el subescapular y el redondo mayor). La posición funcional del hombro es antepulsión de 45º, abducción de 60º y rotación indiferente, y corresponde al estado de equilibrio de los músculos periarticulares del hombro. -La circunducción, es el movimiento que tiene lugar en torno a tres ejes y cuando llega a su amplitud máxima, el brazo describe un cono irregular en el espacio, el cono de circunducción.

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Descripción de la tecnología Las prótesis son dispositivos encaminados a la sustitución de los componentes articulares dañados para conseguir una articulación útil, estable e indolora. La sustitución articular suele considerarse un tratamiento eficaz de los síntomas de la destrucción articular con independencia, salvo excepciones, de su etiología. Los resultados van a depender, como en cualquier sustitución articular, de otros factores, como por ejemplo la edad del paciente, su nivel de actividad, la calidad ósea, la enfermedad de base y la afectación o no de otras articulaciones. Siempre se debe respetar la mayor cantidad de hueso posible reproduciendo la anatomía de la forma más fiel posible y conservando las tuberosidades y el manguito rotador6. En los últimos años se ha producido un importante avance en el desarrollo e implantación de técnicas vanguardistas de sustitución protésica de articulaciones. La cirugía ortopédica se ha servido de los materiales más adecuados y de la tecnología informática para mejorar los diseños protésicos clásicos que existían, y, así, intentar imitar con la mayor exactitud el comportamiento natural de la articulación sana.

Tipos de prótesis de hombro La prótesis de hombro estándar consta de dos porciones: un implante humeral metálico que exclusivamente reemplaza a la cabeza humeral y reproduce de una forma fisiológica la anatomía y un vástago con dos alerones antirotatorios cuyo diámetro debe ser variable para que en caso de no poder obtener un ajuste a presión adecuado se pueda recurrir a la utilización de cemento acrílico; la longitud del vástago debe ser aproximadamente seis veces el diámetro del húmero. El componente glenoideo es el que alberga el cotilo de la articulación. El modelo más utilizado es la prótesis de Neer (el modelo actual es el Neer II). Posee una pieza de polietileno que se ancla en el espesor del omóplato a través de la cavidad

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glenoidea y que posee un radio de curvatura idéntico al del componente humeral, existen tres variantes:

-Un modelo con la misma extensión que la cavidad glenoidea. -Un modelo idéntico al anterior, pero con soporte metálico, que se utiliza en sujetos jóvenes o cuando la cavidad glenoidea está muy destruida. -Un tercer modelo, en el que son mayores las dimensiones, para los casos en los que existe una importante destrucción del manguito de los rotadores37. Otros tipos de prótesis utilizadas habitualmente son: ● La prótesis bipolar es una prótesis bi-rotacional con esfera libre y móvil incrustada en el espacio subacromial. Reduce el riesgo de desgaste de la cavidad glenoidea y el acromion. Se desarrolló para el uso en pacientes con severo daño articular en los que no está permitido un reemplazamiento protésico convencional o cuando otros tratamientos son inadecuados2. Las prótesis modulares permiten combinar diferentes tamaños de cabezas humerales con vástagos humerales de longitud y diámetro también variable. Las ventajas de este tipo de prótesis radican en que al aumentar el número de posibilidades de combinar cabeza y vástago permite conseguir una mejor adaptación del implante a la anatomía del paciente, una mayor adaptabilidad entre la cabeza y el vástago, una mayor facilidad para convertir una hemiartroplastia en artroplastia total y una mayor capacidad para reemplazar en los casos en que se necesite resolver problemas de inestabilidad tardíos. Con la prótesis modular es más sencilla la revisión glenoidea o la conversión de hemiartroplastia en artroplastia total. Se describen también algunas desventajas de este tipo de prótesis como el que deben existir algunos grados de separación entre el vástago humeral y la cabeza lo que puede llegar a producir en algunos casos disminución de movilidad e inestabilidad. Por otra parte la prótesis modular es más cara. ● La prótesis Kessel es una prótesis anatómicamente invertida, con un componente humeral cóncavo cementado, sin stem y un componente glenoideo esférico de sujeción press-fit (atornillado). ● La prótesis DELTA o prótesis invertida de Grammont ha sido desarrollada por la escuela francesa para casos de rotura masiva del manguito de los rotadores, su principal característica es que puede ser colocada en posición normal o invertida. 110

Materiales utilizados: El componente humeral de la prótesis de hombro suele ser realizado en metal. No todos los materiales metálicos empleados para la fabricación de implantes pueden ser tolerados por el cuerpo. Los metales tienden a deteriorarse por oxidación en contacto con el aire lo que puede derivar en un debilitamiento del implante y reacciones de los tejidos adyacentes a los productos de corrosión formados. Por ello los biomateriales metálicos más adecuados para realizar prótesis son: el acero inoxidable, las aleaciones de cromo-cobalto (de elección en las prótesis modulares) y las aleaciones de titanio (que generalmente se implantan sin cemento). El implante glenoideo, aunque puede realizarse en metal, suele realizarse con materiales poliméricos (polietileno). La ventaja de estos materiales es fundamentalmente su facilidad de fabricación, su fácil mecanización posterior para dar lugar a diferentes formas, su procesado secundario, costes razonables, disponibilidad y sus propiedades físicas y mecánicas aceptables. Básicamente, los requerimientos a los biomateriales poliméricos son los mismos que los demás biomateriales, es decir, biocompatibilidad, posibilidad de esterilización y propiedades físicas y mecánicas adecuadas. El componente glenoideo fabricado sólo de polietileno transfiere las solicitaciones mecánicas de una manera más fisiológica, a diferencia de los implantes que asocian un componente metálico.

Tipos de implantes: Hemiartroplastia/artroplastia total En la artroplastia total de hombro lo que se hace es sustituir las dos partes de la articulación: la cabeza humeral y la cavidad glenoidea por implantes metálicos o plásticos. En la hemiartroplastia sólo se sustituye la cabeza humeral, la cavidad glenoidea se reforma o rehace pero no se sustituye. Dentro de las prótesis totales de hombro se pueden establecer diferentes tipos según el grado de congruencia entre la cabeza humeral y la cavidad glenoidea: Congruentes, semicongruentes e incongruentes: ●Implantes congruentes: su forma es la más parecida a la anatómica. Tienen un componente humeral diseñado para preservar la zona metafisaria y mantener una adecuada fijación e integridad de las inserciones del manguito rotador en el cuello anatómico. El componente glenoideo preserva el hueso subcondral y se fija en la metáfisis de la glenoides. Si está intacto el manguito rotador no es necesario que el componente glenoideo presente una estabilidad intrínseca, pero en general sacrifican la movilidad y potencian la estabilidad aunque a costa de un aumento de las fuerzas de cizallamiento. Fueron los diseños iniciales de prótesis totales. Presentan un gran número de problemas mecánicos: fracturas periarticulares y aflojamiento del componente glenoideo. Existen modelos con “cotilo” en el componente humeral y modelos con “cotilo” en el componente glenoideo. ● Los modelos semicongruentes presentan un mayor recubrimiento del componente humeral con el fin de aumentar la estabilidad articular, y evitar la migración superior del componente humeral por lo que se reserva principalmente para pacientes con disfunción del manguito de los rotadores. Siguen presentando grandes solicitaciones sobre el componente glenoideo, por lo que son frecuentes los aflojamientos.

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Fijación de los implantes: Existen dos variedades de fijación de los componentes protésicos: ● Con cemento: es el más frecuentemente utilizado y el que se considera como estándar. Se prefiere si hay riesgo de hundimiento óseo como en el caso de la osteoporosis, artritis reumatoide o artritis traumática. ● A presión (press-fit). Las indicaciones para la fijación cementada de componente humeral incluyen11: -imposibilidad para conseguir una adecuada fijación a presión -pobre remanente óseo secundario a procesos subyacentes como artritis reumatoide -artroplastia previa -fracturas de húmero proximal en las que las tuberosidades menores no proporcionan estabilidad rotacional -quistes degenerativos en el húmero proximal La fijación no cementada del componente humeral está indicada en pacientes jóvenes con buena reserva ósea pero también en pacientes mayores con pocas complicaciones. El componente glenoideo también puede estar o no cementado. Si bien en la mayoría de los pacientes suele cementarse, en los pacientes jóvenes con hueso de buena calidad puede implantarse una prótesis sin cementar17. El tipo de prótesis que se podría considerar estándar en la artroplastia total es la prótesis Neer II con componente humeral cementado o ajustado a presión y el componente glenoideo de polietileno cementado

Su rehabilitación física después de la cirugía puede variar, pero comienza normalmente una semana después de la intervención y consta de ejercicios pasivos para comenzar a fortalecer el hombro y volver a recuperar alguna de las funciones previas del hombro. Las prótesis del hombro han cambiado mucho en los últimos 50 años. El enfoque actual apunta al uso de prótesis semirrestringidas que, si bien proporcionan mayor movilidad, necesitan que el manguito de los rotadores esté intacto. El buen resultado funcional requiere un tratamiento de rehabilitación. Éste, que comienza durante la fase de inmovilización con la finalidad principal de recuperar las movilidades pasivas del hombro, y en particular de la articulación glenohumeral, prosigue tras la ablación progresiva de los elementos de contención mediante trabajo muscular activo asistido, facilitado por la balneoterapia. La última fase combina el trabajo muscular con la recuperación de los movimientos, en este caso con amplia participación de la ergoterapia. La rehabilitación es sobre todo analítica en la primera fase, analítica y global en la segunda, básicamente destinada a la recuperación de los movimientos, eventualmente con un desarrollo de compensaciones, en la tercera.

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Mano biónica Reseña histórica. Con el manejo del hierro, el hombre pudo construir manos mas resistentes y que pudieran ser empleadas para portar objetos pesados, tal es el caso del general romano Marcus Sergius, que durante la Segunda Guerra Púnica (218-202 a.C.) fabricó una mano de hierro para él, con la cual portaba su espada, ésta es la primera mano de hierro registrada. En la búsqueda de mejoras en el año de 1400 se fabricó la mano de altRuppin construida también en hierro, constaba de un pulgar rígido en oposición y dedos flexibles, los cuales eran flexionados pasivamente, éstos se podían fijar mediante un mecanismo de trinquete y además tenía una muñeca movible. El empleo del hierro para la fabricación de manos era tan recurrente, que hasta Goethe da nombre a una de sus obras inspirado en el caballero germano Götz von Berlichingen, por su mano de hierro. No es sino hasta el siglo XVI, que el diseño del mecanismo de las prótesis de miembro superior se ve mejorado considerablemente, gracias al medico militar francés Ambroise Paré, quien desarrolló el primer brazo artificial móvil al nivel de codo, llamado “Le petit Loraine” el mecanismo era relativamente sencillo teniendo en cuenta la época, los dedos podían abrirse o cerrarse presionando o traccionando, además de que constaba de una palanca, por medio de la cual, el brazo podía realizar la flexión o extensión a nivel de codo. Esta prótesis fue realizada para un desarticulado de codo. Paré también lanzó la primera mano estética de cuero, con lo que da un nuevo giro a la utilización de materiales para el diseño de prótesis de miembro superior.

En el siglo XIX se emplean el cuero, los polímeros naturales y la madera en la fabricación de prótesis; los resortes contribuyen también al desarrollo de nuevos mecanismos para la fabricación de elementos de transmisión de la fuerza, para la sujeción, entre las innovaciones más importantes al diseño de las prótesis de miembro superior, se encuentra la del alemán Peter Beil. El diseño de la mano cumple con el cierre y la apertura de los dedos pero, es controlada por los movimientos del tronco y hombro contra lateral, dando origen a las prótesis autopropulsadas. Otra modificación importante en el diseño de prótesis de miembro superior, fue la del escultor holandés Van Petersen, que logra el movimiento de flexo-extensión a nivel de codo con el sistema de autopropulsión. Más tarde el Conde Beafort da a conocer un brazo con flexión del codo activado al presionar una palanca contra el tórax, aprovechando también el hombro contra lateral como fuente de energía para los movimientos activos del codo y la mano. La mano constaba de un pulgar móvil utilizando un gancho dividido sagitalmente, parecido a los actuales ganchos Hook.

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Diseño de prótesis en el siglo XX Para el siglo XX, el objetivo de que los amputados regresaran a su vida laboral, es alcanzado gracias a los esfuerzos del médico francés Gripoulleau, quien realizó diferentes accesorios que podían se usados como unidad terminal, tales como anillos, ganchos y diversos instrumentos metálicos, que brindaban la capacidad de realizar trabajo de fuerza o de precisión. En el año de 1912 Dorrance en Estados Unidos desarrolló el Hook, que es una unidad terminal que permite abrir activamente, mediante movimientos de la cintura escapular, además se cierra pasivamente por la acción de un tirante de goma. Casi al mismo tiempo fue desarrollado en Alemania el gancho Fischer cuya ventaja principal era que poseía una mayor potencia y diversidad en los tipos de prensión y sujeción de los objetos. Cinco años más tarde en Estados Unidos se fundó la “American Limb Makers Association”, lo que produjo una revolución en los materiales empleados para la construcción de prótesis, volviéndose estos más ligeros y dúctiles. En esta época se generaliza la utilización de fibras sintéticas, polímeros y aleaciones de aluminio. El origen de las prótesis activadas por los músculos del muñón se da en Alemania gracias a Sauerbruch, el cual logra idear como conectar la musculatura flexora del antebrazo con el mecanismo de la mano artificial, mediante varillas de marfil que hacía pasar a través de túneles cutáneos, haciendo posible que la prótesis se moviera de forma activa debido a la contracción muscular. Es hasta 1946 cuando se crean sistemas de propulsión asistida, dando origen a las prótesis neumáticas y eléctricas. Un sistema de propulsión asistida es aquel en el que el movimiento es activado por algún agente externo al cuerpo. Uno de los sistemas protésicos de propulsión asistida es el neumático, el cual fue empleado de manera recurrente durante la crisis de dismelia en Alemania en 1962, debido a que ésta brindaba la opción de que el paciente mantuviera la función táctil activa, gracias a las prótesis de terminal abierto, el cual es un sistema de fijación en el que el muñón asoma por el final de la prótesis. Las prótesis con mando mioeléctrico comienzan a surgir en el año de 1960 en Rusia. Esta opción protésica funciona con pequeños potenciales extraídos durante la contracción de las masas musculares del muñón, siendo estos conducidos y amplificados para obtener el movimiento de la misma. En sus inicios, este tipo de prótesis solo era colocada para amputados de antebrazo, logrando una fuerza prensora de dos kilos. 115

En 1962 surgen las prótesis de esqueleto cilíndrico, las cuales poseen un armazón formado por tubos metálicos o de diferentes materiales sintéticos, cubiertos de una sustancia esponjosa, logrando así una apariencia más cercana a la de un brazo sano. Esta prótesis se desarrolló en la Universidad de Münster, Alemania. Investigaciones recientes en diseño de manos La mano de Canterbury utiliza eslabones mecánicos movidos directamente para actuar los dedos en forma similar a la mano humana. El movimiento directo de los eslabones se utiliza para reducir los problemas que presentan otros diseños de manos. Cada dedo de esta mano tiene 2.25 grados de libertad, la parte fraccionaria se debe al mecanismo para extender los dedos que es compartido por cuatro dedos. Los motores de corriente directa tienen una reducción por engranes 16:1, su tamaño es de 65 mm de largo y 12 mm de diámetro. Los dedos cuentan con sensores de presión en cada articulación y en la punta de los dedos, lo que hace que cada dedo tenga cuatro sensores de presión, dos motores de corriente directa, dos encoders y un sensor de efecto Hall. El pulgar tiene solo un motor y tres sensores de fuerza, mientras que la palma tiene las funciones de abrir todos los dedos y la rotación del pulgar, lo cual implica dos motores, dos encoders, dos sensores de efecto Hall y tres sensores de fuerza. Todo esto da un total de 91 cables, por lo que se requirió un sistema de control distribuido utilizando un PsoC de Semiconductores Cypress. Este microprocesador actualmente solo es capaz de controlar la posición y velocidad, mientras que la cinemática y comandos complejos se calculan en una computadora. El manipulador desarrollado en la Universidad de Reading, Inglaterra propone el uso de cables Bowden dirigidos a cada unión como el medio para actuar los dedos. Este diseño simplifica el control de la mano al eliminar el acoplamiento entre juntas y permite la traslación directa y precisa entre las juntas y los motores que mueven los cables. La cinemática de los dedos se simula con mayor precisión al permitir dos grados de libertad con el mismo centro de rotación en el nudillo más grande de la mano. Esta mano incluye sensores en las yemas de los dedos para incrementar la precisión en la sujeción.

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El manipulador antropomórfico teleoperado (MAT) diseñado en el departamento de ingeniería mecatrónica de la Facultad de Ingeniería cuenta con trece grados de libertad, de los cuales cuatro están en el pulgar y tres en cada uno de sus otros tres dedos. Esta mano fue diseñada para teleoperación y no para una prótesis, pero los principios utilizados se pueden extender al diseño de prótesis. La actuación de cada uno de los grados de libertad se realiza por medio de cables que funcionan como tendones, conectados a servomotores que no están montados sobre la mano, sino en un banco de actuadores. Para la instrumentación de este manipulador se utilizó un control PID.

La función de la mano. La mano realiza principalmente dos funciones; la prensión y el tacto, las cuales permiten al hombre convertir ideas en formas, la mano otorga además expresión a las palabras, tal es el caso del escultor o el sordomudo. El sentido del tacto desarrolla totalmente la capacidad de la mano, sin éste nos sería imposible medir la fuerza prensora. Es importante mencionar que el dedo pulgar representa el miembro más importante de la mano, sin éste la capacidad de la mano se reduce hasta en un 40%. Los principales tipos de prensión de la mano son de suma importancia, ya que la prótesis deberá ser diseñada para cumplirlos. A continuación se muestran cuatro formas básicas de prensión de la mano, que combinadas cumplen con todos los movimientos realizados por ésta, los cuales son: prensión en pinza fina con la punta de los dedos, prensión en puño, gruesa o en superficie, prensión en gancho y prensión en llave.

Se usa un socket que es un dispositivo intermedio entre la prótesis y el muñón logrando la suspensión de éste por una succión. Es más costosa su adquisición y reparación, existiendo otras desventajas evidentes como son el cuidado a la exposición de un medio húmedo y el peso de la prótesis.

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El control mioeléctrico es probablemente el esquema de control más popular. Se basa en que siempre que un músculo en el cuerpo se contrae o se flexiona, se produce una pequeña señal eléctrica (EMG) que es creada por la interacción química en el cuerpo. Esta señal es muy pequeña (5 a 20 μV.) El uso de sensores llamados electrodos que entran en contacto con la superficie de la piel permite registrar la señal EMG. Una vez registrada, esta señal se amplifica y es procesada después por un controlador que conmuta los motores encendiéndolos y apagándolos en la mano, la muñeca o el codo para producir movimiento y funcionalidad. Este tipo de prótesis tiene la ventaja de que sólo requieren que el usuario flexione sus músculos para operarla, a diferencia de las prótesis accionadas por el cuerpo que requieren el movimiento general del cuerpo. También elimina el arnés de suspensión usando una de las dos siguientes técnicas de suspensión: bloqueo de tejidos blandosesqueleto o succión. Tienen como desventaja que usan un sistema de batería que requiere mantenimiento para su recarga, descarga, desecharla y reemplazarla eventualmente. Debido al peso del sistema de batería y de los motores eléctricos, las prótesis accionadas por electricidad tienden a ser más pesadas que otras opciones protésicas. Proporciona un mayor nivel de tecnología, pero a un mayor costo. Una prótesis híbrida combina la acción del cuerpo con el accionamiento por electricidad en una sola prótesis. En su gran mayoría, las prótesis híbridas sirven para individuos que tienen amputaciones o deficiencias transhumerales (arriba del codo) Las prótesis híbridas utilizan con frecuencia un codo accionado por el cuerpo y un dispositivo terminal controlado en forma mioeléctrica (gancho o mano). Tendencia en el diseño de prótesis. Teniendo en cuenta lo rápido que avanza la tecnología en el mundo y en especial la mecatrónica, se espera un avance mayor en las prótesis en la precisión y la fuerza en la prensión además de su conjunción, mayor capacidad de respuesta y estabilidad en el control. Actualmente se están realizando estudios a materiales tales como polímeros electroactivos, para poder disminuir el costo en las transmisiones y generación de movimiento para las prótesis. Uso de materiales inteligentes. Hoy en día, el término “inteligente” se ha adoptado como un modo válido de calificar y describir una clase de materiales que presentan la capacidad de cambiar sus propiedades físicas (rigidez, viscosidad, forma, color, etc.) en presencia de un estímulo concreto.

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Las principales características de este tipo de materiales son que de manera intrínseca presentan sensores de reconocimiento y medida de la intensidad del estímulo ante el que reaccionará el material, y que a su vez presentan “actuadores” intrínsecos, que responden ante dicho estímulo. Para controlar la respuesta de una forma predeterminada presentan mecanismos de control y selección de la respuesta. El tiempo de respuesta es corto. El sistema comienza a regresar a su estado original tan pronto como el estímulo cesa.

Como una importante noticia de actualidad podemos mencionar que en el Hospital Sant Joan de Deu de Barcelona, el martes 22 de enero de 2008, se implantó, por vez primera en Europa, una mano biónica de nueva generación. La beneficiaria fue Carlota, una niña de 12 años, que a partir de ahora tendrá más facilidad al utilizar el teclado del ordenador, abrir un refresco o coger con precisión objetos pequeños.

Carlota nació con una amputación congénita del antebrazo izquierdo y siempre ha llevado una prótesis mioeléctrica que actuaba como una pinza. La nueva prótesis biónica funciona con un sistema de control intuitivo que recoge las señales eléctricas que generan los músculos del brazo, a través de unos electrodos colocados en la superficie de la piel, y que se procesan para que la mano se mueva.

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La mano, que tiene una batería que se carga por las noches para que se puedan mover sus distintos elementos, se coloca en el mismo encaje que ya tenía esta niña con la otra prótesis, lo que ha permitido una adaptación inmediata. Esta mano biónica, que cuesta unos 40 mil euros, ofrece distintos patrones de agarre y permite coger objetos delicados como una taza, o pequeños, como una moneda o un DVD. El dedo pulgar de esta mano biónica, igual que en una mano real, puede rotar en diferentes posiciones para hacer pinza con el índice y coger una llave para abrir una puerta. La adaptación de Carlota a esta nueva mano ha sido inmediata porque ya utilizaba una prótesis mioeléctrica desde los dos años, y ya conoce muy bien el procedimiento de enviar señales a la mano.

El hospital de Sant Joan de Deu atiende a 118 niños con amputación de algún miembro superior, de los cuales el 75% son congénitos, y a 170 con amputación de miembro inferior, y se estima que entre 12 y 14 niños son candidatos en estos momentos a llevar esta nueva prótesis biónica. Actualmente, a los niños que nacen con una amputación se les coloca una prótesis estética hasta los dos años, para que empiecen a trabajar en la bimanualidad y a adaptarse al miembro, y a partir de los dos se les coloca una mioeléctrica.

La nueva mano biónica I-Limb, desarrollada por la empresa escocesa Touch Bionics, se presentó en un congreso celebrado el pasado mes de septiembre en Vancouver. Las señales mioeléctricas son captadas por los electrodos que se colocan en la superficie de la piel y seguidamente son procesadas para que la mano efectúe diversos patrones de movimiento.

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Después de una amputación siempre quedan restos de la musculatura original. En caso de contracción, estos músculos emiten una pequeña corriente eléctrica que se detecta en la superficie de la piel por medio de unos electrodos especiales. Conectados a estos electrodos se encuentran unos circuitos electrónicos que permiten, aún con una pequeña contracción del músculo, la conexión y la desconexión de los motores eléctricos de la mano. Otra noticia muy importante referente a la innovación en las manos biónicas es la conseguida por un equipo de científicos italianos ha logrado instalar una mano biónica y hacer que obedezca a las órdenes del cerebro. El proceso funciona así: el cerebro transmite a través de cuatro electrodos, cada uno de ellos provisto de ocho canales, la orden de apretar el puño o mover el meñique. La mano pesa dos kilos y fue implantada hace un año. Cuenta con cinco dedos de aluminio, partes mecánicas de acero y una superficie que la recubre de fibra de carbono. Las fibras de los electrodos que se conectan con los nervios del brazo son "biocompatibles" y son de una delgadez de diez micromillones de milímetro. Gracias a estas conexiones, la mano del paciente puede comunicarse perfectamente con su cerebro e, incluso, puede sentir. En tres años el paciente podrá tener permanentemente una mano robótica.

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Desarrollo de órganos Artificiales Retina Artificial Las primeras prótesis de retina podrían llegar al mercado en 2011. La esperanza de que las personas ciegas o parcialmente ciegas puedan volver a ver es cada vez mayor, a juzgar por los progresos que se están dando actualmente en el desarrollo de prótesis de retina. Científicos de diversos centros han trabajado durante más de veinte años en el desarrollo de prótesis de retina, especialmente en Alemania. Con las investigaciones se espera generar la tecnología necesaria para que estas prótesis lleguen a la gente de a pie, y muy pronto.

-Impresiones visuales conseguidas En las presentaciones realizadas en “Artificial Vision” se constató que las prótesis electrónicas actuales son ya capaces de producir impresiones visuales. Por ejemplo, pacientes ciegos fueron capaces con ellas de distinguir luces y sombras y de registrar el movimiento y la presencia de objetos grandes. Por otro lado, un proyecto de un grupo de investigación alemán ha constatado que es posible restablecer la capacidad de leer a personas parcialmente invidentes. Algunos pacientes sometidos a pruebas con estas prótesis fueron capaces de leer letras de ocho centímetros. Los especialistas aseguran que la tecnología se encuentra en “su recta final”. Los últimos estudios se centran, de hecho, en probar la tolerancia a largo plazo de los pacientes a las prótesis, y en testar los beneficios de éstas en la vida cotidiana. Los fabricantes, por su parte, esperan que los implantes sean aprobados en 2011.

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-Diversos sistemas En breve, por tanto, habrá diferentes sistemas de prótesis de retina compitiendo en el mercado, aseguran los especialistas. Uno de estos sistemas, el implante sub-retinal, consiste en un chip que se implanta bajo una capa de células nerviosas de la retina. Una vez colocado, el chip recibe impulsos luminosos y los convierte en señales eléctricas que son transmitidas a las células nerviosas de la retina, de la misma manera que lo hacen los fotorreceptores de la retina de cualquier ojo sano. Existe otro sistema, el implante epiretinal, que consiste en fijar un chip en la capa superior de las células nerviosas. En este caso, la prótesis microelectrónica serviría para restaurar la visión de pacientes con ciertas enfermedades retinales, como la degeneración macular relacionada con la edad o AMD, y la retinitis pigmentosa o RP, que incluye enfermedades degenerativas de la retina. Las prótesis están diseñadas para estimular eléctricamente las células ganglionares saludables que permanecen funcionales y que mantienen conexiones al cerebro a través del nervio óptico. Los científicos esperan que una estimulación de este tipo cree imágenes visuales que puedan ser útiles para el paciente.

-Próxima generación Aparte de estos sistemas, una próxima generación de prótesis de retina se encuentra ya en la línea de salida en laboratorios de todo el mundo. En ella trabajan ingenieros, especialistas en ciencia computacional, biólogos y médicos, que están volcando sus conocimientos en la generación de nuevas estrategias que vinculen dispositivos electrónicos con el sistema nervioso. Por ejemplo, investigadores de Suiza y Japón están desarrollando sistemas en los que el chip no se implanta en el ojo sino en la piel que protege el globo ocular. En la retina sólo se implantarían los electrodos que estimulan las células nerviosas, mediante una pequeña incisión. Por otro lado, investigadores chinos están desarrollando prótesis de retina que, en lugar de estimular las células nerviosas retinales, estimulan directamente el nervio óptico. Y un equipo norteamericano intenta activar la corteza visual directamente en el cerebro. Todos estos sistemas están aún en una fase puramente experimental.

-Registro de formas Otros proyectos que también están despertando gran interés son los que pretenden utilizar una forma de comunicación alternativa entre las células nerviosas. Científicos australianos y americanos trabajan en prótesis de retina que producen impulsos bioquímicos, en lugar de impulsos eléctricos.

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En estos casos, la idea es que las prótesis retinales emitan neurotransmisores acordes con patrones espacial y temporalmente controlados para así estimular las células nerviosas. Los progresos en general están siendo asombrosos, pero aún queda pendiente la cuestión de si estas prótesis servirán o no en algún momento para registrar formas. Según los expertos, para ello sería necesario que los implantes fueran capaces de “aprender”, y de producir impulsos de diversos tipos reconocibles por el cerebro, y clasificables en formas particulares. Es destacable la idea de una prótesis de retina inteligente consistente en un software capaz de aprender a traducir correctamente las señales registradas por una cámara, para que éstas puedan ser comprendidas por el cerebro. Una prótesis inteligente para la retina ayudará a ver a los invidentes. La combinación de software, electrodos en la retina y una cámara en miniatura desafía a la ceguera La implantación de electrodos en la retina que reciben las señales que emite una cámara enviándolas al cerebro es una solución para la ceguera que lleva años intentándose. Sin embargo, la corteza visual del cerebro humano no es capaz de traducir correctamente dichas señales. Médicos e informáticos de la Universidad de Bonn han ideado una prótesis de retina inteligente potencialmente capaz de mejorar el rendimiento de los actuales implantes para ciegos. Se trata de un software capaz de aprender a traducir correctamente las señales de la cámara, para que puedan ser comprendidas por el cerebro. No conseguirá que los ciegos vean completamente, pero sí que puedan distinguir las formas y los límites de los objetos Hace unos años, la idea de implantar electrodos en las retinas dañadas de personas ciegas y de conectar los electrodos a una cámara en miniatura que hiciera llegar señales al cerebro a través de ellos, parecía una buena solución para devolver la visión a los afectados. Los electrodos son conductores utilizados para hacer contacto con una parte no metálica de un circuito, en este caso, la retina, que es la capa más interna de las tres que forman el globo ocular y es el tejido fotorreceptor o receptor de la luz. Pero, a pesar de lo buena que parecía la idea, los resultados de las pruebas que se realizaron no fueron satisfactorios porque, tras la implantación de electrodos en varios pacientes, éstos no eran capaces de distinguir ni siquiera formas simples. -Tamaño microscópico Se ha ideado un programa informático que permite que la prótesis incorporada en la retina “aprenda” a enviar las señales precisas para que el cerebro pueda interpretarlas correctamente. Los científicos hablan por ello de una prótesis de retina “inteligente”, susceptible de adaptarse a las necesidades de su portador. Estos implantes pueden devolver cierta capacidad de visión a los ciegos o a personas parcialmente ciegas haciendo por ellos el trabajo de convertir las señales lumínicas en señales que se transmiten al cerebro. Para ello, los médicos deben abrir el globo ocular y adhirieron a la retina una fina hoja desde la que se extienden contactos de tamaño microscópico hacia las células nerviosas que forman la capa superior de la retina. Estos contactos de estimulación eléctrica envían las señales de la cámara en miniatura

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(que va instalada en unas gafas) al nervio óptico. Por ejemplo, la cámara puede enviar desde las gafas las imágenes que registra a los implantes de la retina, sin necesidad de cables que la conecten con dichos implantes. -Codificador de retina Pero este sistema no ha funcionado del todo (hasta ahora, los pacientes detectan sólo luces, sombras y formas difusas) porque la cámara envía impulsos eléctricos al cerebro que éste no es capaz de interpretar. Por esa razón se ha desarrollado el software que traduce las señales de la cámara de la prótesis retiniana a un lenguaje que la corteza visual puede entender. Este software es capaz de “aprender”, dado que, según creadores, la corteza visual de cada persona “habla un dialecto” distinto y, por tanto, para que comprenda las señales de la cámara, éstas deben adaptarse a dicho dialecto. El programa informático ha sido bautizado como “codificador de retina” y es capaz de convertir las señales de la cámara y pasarlas a los implantes de retina. Pero, además, trabaja de manera continuada, aprendiendo cómo ajustar las señales de dicha cámara para que los usuarios reconozcan las imágenes que les envía. Las imágenes de la cámara son traducidas por el decodificador de retina y después son enviadas a una corteza visual virtual que imita la manera en que el cerebro interpretaría los datos modificados de la cámara.

-Pasos de aprendizaje El proceso consta de varias etapas. Al principio, el decodificador de retina desconoce el “idioma” que habla la corteza visual virtual, por lo que el software traduce la imagen a diferentes “dialectos” aleatorios. Las personas videntes que participan en la “enseñanza” del software seleccionan entonces la imagen correcta con un movimiento de cabeza, para que el programa informático comience a acumular traducciones lo más ajustadas posibles a las imágenes reales. Las pruebas de este software con personas videntes han dado resultados muy prometedores, pero este procedimiento aún no ha sido probado con pacientes ciegos. En tan sólo unos meses, el decodificador podría incorporarse en las prótesis de retina que ya implantadas en los ojos de personas ciegas para que resulten más efectivas.

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Los resultados pueden ser esperanzadores, pero los investigadores advierten que no habrá milagros: el decodificador de retina no podrá lograr que los ciegos vean perfectamente, pero sí que reconozcan la forma de bastantes objetos y que perciban sus límites. Esto, que no parece mucho, puede ser un gran salto por la independencia que los ciegos obtendrían para moverse solos. El mayor desafío es, por lo tanto, ahora mismo, desarrollar un reproductor de las señales que interaccione correctamente con las neuronas.

Corazón artificial Un corazón artificial es una prótesis que es implantada en el cuerpo para reemplazar al corazón biológico. Es distinto de una máquina de cardiopulmonary bypass (CPB), que es un dispositivo externo utilizado para proveer las funciones del corazón y los pulmones. El CPB oxigena la sangre, y por lo tanto no es preciso se encuentre conectado a ambos circuitos sanguíneos. Además, un CPB es adecuado para ser utilizado solo durante algunas pocas horas, mientras que se han utilizado corazones artificiales por períodos que exceden un año de uso (información válida al año 2007).

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-Tipos. Corazón artificial total (por sus sigla en inglés TAH) su implantación requiere la extracción del corazón nativo. Es un procedimiento de cirugía similar a un trasplante de corazón con un donante humano de corazón. Dispositivos de asistencia cardíaca se diferencian del anterior, en que no se extrae el corazón del paciente durante la implantación. Los dispositivos de asistencia pueden comprender o bien un Dispositivo de asistencia al ventrículo Izquierdo (Left Ventricular Assist Device (LVAD)) o un Dispositivo de asistencia al ventrículo Derecho (Right Ventricular Assist Device (RVAD)) o ambos. A diferencia de la implantación del TAH, el dispositivo de asistencia provee solo una parte del trabajo total desarrollado por el corazón del paciente.

-Orígenes. Un reemplazo sintético del corazón es una de las aspiraciones más anheladas de la medicina moderna. El beneficio obvio de un corazón artificial funcional sería reducir la necesidad de trasplantes de corazón, ya que la demanda para donantes de corazones siempre es mayor que la oferta (situación que sucede con todos los órganos). Si bien el corazón es conceptualmente simple (en su esquema más básico es un músculo que funciona como una bomba), posee una serie de características intrínsecas que hacen muy complejo su emulación mediante materiales sintéticos y fuentes de suministro de energía. Estas dificultades dan lugar a una serie de consecuencias que incluyen rechazo severo de cuerpos extraños por el cuerpo y la necesidad de baterías externas que limitan la movilidad del paciente a horas o días. El TAH-t es una versión moderna del Corazón Artificial Jarvik-7 que fue implantado en el paciente Barney Clark en 1982.

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El TaH-t va dirigido a pacientes en el estado final de un fallo biventricular para alargar la expectativa de vida mientras se busca un corazón para el transplante. Un ex-instructor de fitness de 46 años que padecía de un fallo cardiaco biventricular en su etapa final y que estaba en un shock cardiogénico irreversible, fue el primero en recibir el TAH-t a principios del 2007. Sin embargo, el último corazón artificial totalmente implantable que ha recibido el visto bueno de la FDA es “AbioCor“. Desarrollado por Abiomed INc, el Abiocor, con alrededor de 1 kg. de peso, consta de una unidad torácica interna, una batería interna recargable, un dispositivo electrónico interno miniaturizado y una batería externa. Tiene la capacidad de mover la sangre desde los pulmones hasta el resto del cuerpo continuamente. Sin duda, aporta esperanza a aquellos pacientes que están al borde de la muerte por un fallo cardiaco pero los inconvenientes del AbioCor son un gran tamaño y su corto periodo de funcionamiento. Quizás, en un futuro, sea posible el desarrollo de un corazón artificial totalmente implantable y seguro.

Útero Artificial Los científicos ya están trabajando en úteros artificiales en los cuales los embriones pueden crecer fuera del útero materno. Incluso se han desarrollado prototipos fabricados a partir de células extraídas de mujeres. El Dr. Hung-Ching Liu, del Centro Universitario Cornell de Medicina Reproductiva e Infertilidad, espera que puedan ser capaces de desarrollar completamente úteros artificiales en un futuro cercano. Los beneficios inminentes de esta tecnología ayudarán a las mujeres que hayan tenido muchos abortos debido a problemas en la implantación del embrión, a mujeres que se les haya realizado una histerectomía (extirpación del útero) debido a un cáncer uterino y a mujeres que no sean capaces de alojar a su propio bebé. 128

Por otro lado, es posible que los úteros artificiales pudieran debilitar el vínculo madrehijo. La posibilidad de tal tecnología también levantará polémicas con respecto a la clonación. Algunos expertos en ética mantienen que esta tecnología podría llevar a la prohibición del aborto, ya que el feto podría ser capaz de sobrevivir fuera del útero. Aunque tendremos que esperar algunos años más para un útero artificial completamente desarrollado, será un gran paso adelante en el tratamiento de parejas sin niños.

Estómago artificial. Científicos de la Organización para la Investigación Industrial y Científica de Australia (CSIRO), en colaboración con la empresa Stadvis Pty Ltd, han creado un estómago artificial que imita a la perfección el proceso de la digestión humana. La máquina, que ya está lista para ser comercializada, proporcionará a la industria alimentaria un método rápido y sin riesgos para testar las propiedades de los alimentos y sus potenciales beneficios para la salud. El instrumento mide dos variables de gran interés: el índice glucémico, es decir, el aumento de azúcar en sangre que produce un alimento y cuánto tarda en absorberse; y la cantidad de almidón resistente, una fibra abundante en el arroz y las patatas que previene enfermedades y ayuda a reducir peso.

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También Ainia, centro tecnológico de Valencia (España), se esmeró en la creación de un estómago e intestino delgado artificiales que se encargan de simular el proceso de digestión del hombre para el estudio del comportamiento de los nutrientes en la asimilación. Este aparato reproduce de forma exacta las condiciones naturales del propio tracto intestinal, los movimientos, la temperatura, la regulación de la acidez mediante simulación del PH, entre otros. Sebastián Subirats, director del centro, explicó que el propósito final del digestor, de nombre Digestor Dinámico In Vitro, es conseguir información esencial para el desarrollo de productos alimentarios más seguros, saludables y con interés tecnológico. En dicho sentido, ha señalado que de nada sirve una dieta buena si en la digestión no se absorben todos los nutrientes. Este digestor además es útil para la formulación de los denominados alimentos funcionales, o sea, productos enriquecidos que están destinados a hacer que la nutrición de la gente sea más saludable. De este modo, el invento tiene la capacidad de comprobar si los alimentos funcionales (tales como el Omega 3) son verdaderamente beneficiosos para cualquier consumidor. El proceso de crear este organismo artificial data de hace una década, aunque no comenzó a materializarse hasta hace un par de años. El prototipo funciona como un auténtico estómago. Se mueve idénticamente, cuenta con la misma temperatura y tiene incorporados enzimas gastrointestinales. Simula también el tránsito intestinal, el monitoreo de jugos gástricos e intestinales o los nutrientes que absorbe. Así, reproduce con fidelidad las condiciones del proceso de digestión.

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Sangre Artificial La expresión “sangre artificial” es un tanto confusa, ya que la sangre normal realiza muchas tareas además del transporte de oxígeno mientras que la sangre artificial sólo puede llevar a cabo algunas de estas tareas en el ser humano. La creciente demanda de sangre a lo largo de todo el mundo es una de las razones que anima a un uso cada vez mayor de sustitutos sanguíneos. Si alguna vez se consigue desarrollar una sangre artificial muy similar o idéntica a la biológica, será uno de los logros más importantes de la ciencia médica. La sangre artificial se divide en dos grupos, los expansores de volumen, que sólo incrementan el volumen sanguíneo, y los transportadores de oxígeno, que sustituyen la habilidad natural de la sangre para transportar oxígeno. Mientras que los expansores de volumen ya se usa en los hospitales, los transportadores de oxígeno aún están probándose en ensayos clínicos. Los actuales transportadores de oxígeno en desarrollo son Oygent compuesto por perfluorocarbonos, Hemopure, Oxyglobin, Hemolink, Plyheme, Hemospan y DextranHemoglobin, compuestos por hemoglobina. Recientemente, los investigadores están planteándose la posibilidad de usar células madre para producir una nueva fuente de sangre apta para la transfusión. Sin embargo, a pesar de crear glóbulos rojos normales, los costes asociados al proceso son enormes. Los investigadores están planteándose el uso de dendrímeros como transportadores de oxígeno alternativos. Oxycyte es otro compuesto sintético de color blanco que tiene la habilidad de transportar oxígeno con una eficacia 50 veces mayor que la sangre normal. Actualmente, se encuentra probándose en ensayos clínicos.

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Vasos Sanguíneos Artificiales Se ha logrado desarrollar vasos sanguíneos artificiales empleando el colágeno procedente del salmón. Aunque ya se habían desarrollado tejidos artificiales gracias al colágeno de bovinos (en vacas) y porcinos (cerdos), existía el problema de la transmisión de enfermedades infecciosas como la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob (mal de las vacas locas). Por suerte, el uso del colágeno del salmón se considera seguro gracias al hecho de que no se conocen virus hasta la fecha que se transmitan del salmón al ser humano. De momento, los investigadores utilizarán animales como los perros para los ensayos, pero esperan usar el mismo biomaterial para sustituir a los vasos sanguíneos dañados en seres humanos.

Huesos Artificiales Aunque la investigación para el desarrollo de huesos artificiales lleva ya años, recientemente se ha descubierto que el ácido cítrico junto al 1,8-octanediol (una sustancia química no tóxica) produce una masa blanda y amarillenta que puede ser moldeada en una amplia variedad de formas y puede ser usada para reemplazar a partes del cuerpo dañadas. El polímero, cuando se mezcla con polvo de hidroxiapatita da lugar a un material muy duro que puede usarse para reparar huesos dañados. La hidroxiapatita también se encuentra en el hueso normal, formando parte de su estructura, lo que hace plantearse el uso de este material sin efectos desfavorables. Hace poco, se ha descubierto una nueva técnica para el crecimiento de huesos artificiales a través de un método similar a una impresora de tinta. Anteriormente, en el campo de la cirugía con injerto de hueso se utilizaba hueso procedente de otras partes del cuerpo y sustitutos cerámicos. Con el nuevo método se crean perfectas réplicas de hueso que pueden usarse para reparar aquellos que estén dañados.

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Piel Artificial En 1996, la FDA dio su aprobación a una piel artificial desarrollada por el MIT para usarse en pacientes con graves quemaduras que habían perdido la dermis. Esta piel estaba compuesta de colágeno procedente de tendones de animales con moléculas de glicosaminoglicano (GAG) de cartílago animal, formando así una matriz extracelular que ofrece lo básico para una nueva dermis. En el 2001, una piel plástica autoreparadora fue desarrollada y probada por científicos estadounidenses. Muy similar a la piel normal, era capaz de sangrar y curarse a sí misma. Otro logro importante en la piel artificial es la piel regeneradora. Científicos de la empresa biotecnológica Intercytex han descubierto una nueva técnica para luchar contra el envejecimiento. Han tenido éxito en encontrar una forma de hacer crecer fibroblastos en el laboratorio. Estos fibroblastos, que producen una proteína llamada colágeno, aporta firmeza y elasticidad a la piel pero, con la edad, la cantidad de estas células disminuye progresivamente. Por tanto, podría ser posible inyectar estas células en las arrugas y permitir la regeneración del colágeno, ayudando a la regeneración de la piel. Hace poco, científicos de Cincinnati han desarrollado en el laboratorio células de la piel resistentes a las bacterias y están ahora probándola sobre animales. Tienen la intención de crear un tipo de piel artificial que pueda sudar, broncearse y luchar contra las infecciones. Sin duda, la piel artificial definitiva.

Extremidades Artificiales Si las salamandras y los renacuajos pueden regenerar sus extremidades, ¿por qué no puede el ser humano regenerar sus extremidades perdidas también? Una nueva investigación ofrece un rayo de esperanza para los amputados ya que se trata de una nueva tecnología que podría ayudar al desarrollo de extremidades completas en un futuro aún no cercano. Han conseguido con éxito el crecimiento de brazos adicionales en salamandras con la ayuda de un fragmento de la vejiga de un cerdo. Aunque el objetivo que quieren alcanzar en humanos es más modesto, el crecimiento de un fragmento de un dedo.

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Conclusiones ● La biomecánica es una ciencia muy completa, que estudia la aplicación de las leyes de la mecánica a las estructuras y los órganos de los seres vivos. ● Permite aplicar los conocimientos de la matemática y la física, con el fin de entender el comportamiento de un ser vivo y resolver un problema de la vida cotidiana. ● La biomecánica se originó en la antigüedad con autores como Aristóteles y en la edad media sobre todo con Leonardo da Vinci. Ha estado sobre todo ligada al estudio de las posturas y del movimiento. ● Uno de los primeros problemas abordados por el enfoque biomecánico moderno resultó ser el intento de aplicar las ecuaciones de Navier-Stokes a la compresión del riego sanguíneo, además de la búsqueda de ecuaciones constitutivas que modelaran adecuadamente las propiedades mecánicas de los huesos. ● La Biomecánica está presente en diversos ámbitos tales como: La biomecánica médica, que sigue los planteamientos de la ergonomía, la antropometría y las condiciones generales de salud. Principalmente la fabricación de calzado La biomecánica deportiva para mejorar el rendimiento, desarrollar técnicas de entrenamiento y diseñar complementos, materiales y equipamiento. La biomecánica ocupacional y biomecánica industrial, en la búsqueda del confort. ● Muchos de los conocimientos generados por la biomecánica se basan en lo que se conoce como modelos biomecánicos. Las técnicas utilizadas son el análisis de fotogrametría (movimientos en 3D basado en tecnología de vídeo digital), análisis de comportamiento tensión-deformación directo y la biomecánica computacional (simulaciones computerizadas de sistemas biomecánicos) ● Las principales herramientas de análisis biomecánico son las plantillas instrumentadas, el baropodómetro electrónico, la electromiografía y la plataformas de fuerza. ● La tecnología biomecánica se basa principalmente en la creación de órganos artificiales, son órganos y tejidos creados mediante ingeniería creados para sustituir partes dañadas del organismo; y prótesis, ya sean bucales, cosméticas, mecánicas.. ● Una prótesis es un elemento desarrollado con el fin de mejorar o reemplazar una función, una parte o un miembro completo del cuerpo humano afectado, por lo tanto, una prótesis para el paciente y en particular para el amputado, también colabora con el desarrollo psicológico del mismo, creando una percepción de totalidad al recobrar movilidad y aspecto. ● Las primeras prótesis datan entre 3500 y 1800 A.C. con “Rig Veda” y tuvieron su apogeo en la Primera Guerra Mundial. ● El avance en el diseño las de prótesis ha estado ligado directamente con el avance en el manejo de los materiales empleados por el hombre, así como el desarrollo tecnológico y el entendimiento de la biomecánica del cuerpo humano. 134

● Entre las prótesis mecánicas más importantes se encuentran la de pie, rodilla, cadera, hombro o brazo. ● Se está avanzando mucho en la creación de órganos artificiales como son la retina artificial o el útero, piel, corazón, estómago, huesos y vasos sanguíneos artificiales. ● Es necesario el apoyo conjunto de todas las ramas científicas como la anatomía, la fisiología, la mecánica, la psicología, la electrónica… para progresar. ● La biónica consiste en la sustitución de órganos o miembros por versiones mecánicas. Los implantes biónicos se diferencian de las meras prótesis porque imitan la función original fielmente, e incluso la superan. ● Para intervenir sobre cualquier órgano, se requiere el control y la medición continua de la intensidad del fenómeno. Los sensores que constituyen el primer elemento del sistema junto con los implantes cerebrales. Se prevé necesario el uso de la cibernética. ● Las prótesis han evolucionado al grado de incluir microprocesadores para volverse más inteligentes. Por tanto se espera un gran progreso relacionado con el avance de las nanotecnologías y la investigación del biochip. ● Uno de los objetivos más importantes en la protésica es proveer a las prótesis de una habilidad sensorial que mejorará notablemente la funcionalidad y la aceptación por parte de los pacientes. ● Se trabajará para que la prótesis se inserte directamente al hueso y estén dirigidas por el cerebro, para un movimiento fluido y sin esfuerzos. ● La prótesis cambiarán su movimiento según el terreno, la actividad, y señales del cerebro y el cuerpo. ● El próximo avance consiste en permitir a las personas amputadas percibir de nuevo sensaciones como la temperatura o la presión. Se colocarían un centenar de receptores distribuidos por toda la superficie. Detectan sobre la piel los menores impulsos nerviosos aún perceptibles creados por el movimiento muscular. Su detección permitiría la activación de motores que van a ayudar a la persona a efectuar su movimiento normalmente, con más facilidad. ● Otro descubrimiento permitiría a las personas mayores o a los individuos que sufren de insuficiencia muscular encontrar una movilidad normal: es el exosqueleto o HLA (Hybrid Assistive Limb). ● Los investigadores trabajan en su comprensión con el fin de ayudar a las personas con grandes minusvalías a algún día poder llevar una vida “normal”. ● En definitiva, es esencial seguir investigando en estos campos para lograr alargar y mejorar la vida de todos, eliminando el rechazo de algunas prótesis, y mejorando la funcionalidad y el manejo de las existentes, haciéndolas incluso mejores que nuestras propias extremidades y órganos.

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