asesor direct o r: msc. pietro scaglioni asesor interno: msc. gabriel monge

DISEÑO DE UN MECANISMO ESTÁNDAR DE ALINEACIÓN EN DOS DIMENSIONES PARA PRÓTESIS SUPRACONDÍLEAS PARA HOMBRES ADULTOS

Asesor Director: Msc. Pietro ScaglioniAsesor Interno: Msc. Gabriel Monge

Asesor Externo: Msc. Axel RetanaAsesor Externo: CPO. Dino Cozarelli

Alejandro Acuña EspinozaSusy Cruz SotoJosé P. Solórzano Rojas Meir Vainer Lechtman

OBJETIVO GENERAL

•Diseñar un mecanismo de alineación que se acople a las prótesis supracondíleas disponibles actualmente en el mercado latinoamericano permitiendo a sus usuarios alinearlas en dos dimensiones de forma sencilla e inmediata.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

•Determinar las variables de marcha fundamentales de los usuarios de las prótesis.

•Elaborar un modelo matemático simplificado para el cálculo indirecto de las fuerzas internas en la prótesis durante la marcha.

•Aplicar los criterios de falla por esfuerzos estructurales al mecanismo de alineación.

•Simular el funcionamiento del mecanismo en condiciones de operación convencionales.

Fuente: Autores

DETALLES DEL PROYECTO

• Justificación• Alcance• Importancia

alineación• Procedimiento de

alineación

METODOLOGÍA DE LAS PRUEBAS

Plataforma de reaccionesBioWare

Cámaras de videoMax TRAQ

6 sujetos masculinos

6 repeticiones por sujeto

FUERZAS EXTERNAS

Vector de fuerza verticalVector de fuerza horizontal ‘x’

Vector de fuerza horizontal ‘y’

Fricción resultante ‘x’Fricción resultante ‘y’

METODOLOGÍA DE LAS PRUEBAS•Resultados obtenidos de la plataforma

Fuente: Autores

ÁNGULOS

Fuente: Autores

METODOLOGÍA DE LAS PRUEBAS•Resultados obtenidos de los videos

Fuente: Autores

ANÁLISIS DE DATOS

Se tienen 6 valores por

cada variable(6

repeticiones)

Buscar curva de mejor

ajusteJMP8

ANÁLISIS DE DATOS•Variables→7 ángulos y 6 fuerzas externas

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Fue

rza

Z (

N)

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Porcentaje de paso

50

55

60

65

70

75

80

85

Ang

ulo

(°)

0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05

Porcentaje de paso

Fuente: AutoresFuente: Autores

RESULTADOS CINÉTICOS

→ La componente en el plano vertical representa cerca de 120% del PC

→ La componente horizontal y representa cerca de 20% del PC

→ La componente horizontal x representa cerca de 5% del PC

Objetivo de los datos obtenidos en las pruebas:Realizar un modelo matemático que describa el

comportamiento de las fuerzas internas en la prótesis; a partir del cual se determinarán las fuerzas críticas que

inciden sobre el mecanismo.

RESULTADOS CINÉTICOS

ANÁLISIS DE MOVIMIENTOExtremidad inferior Prótesis supracondílea

FUERZAS EXTERNAS FQ

Qsensen

QsensenD

DCP

FZQ 2

11

..6

5

Qsen

QsensenDD

CPF

xQ 2cos

11

..65

cos.. senCPFYQ

Fuente: Autores

FUERZAS EXTERNAS-FRSDIAGRAMAS SIMPLIFICADOS

Fuente: AutoresFuente: Autores

Entrada•Plano sagital1 ec. sist. Rotac.2 ec. sist. Traslac.• Plano frontal1 ec. sist. Rot.1 ec. sist. Traslac.• Sist. de 1 eslabón • 1 CM•Fricción, sentido medial-lateral y anterior-posterior

FUERZAS EXTERNAS-FRS DIAGRAMAS SIMPLIFICADOS

Fuente: Autores

SalidaPlano sagital

3 ec. sist. Rotacional

6 ec sist. Traslacional

Sist. 3 eslabones, 3 CM

Plano coronal: 2 ec. sist. Rot. 2 ec. sist.

Traslac. Sist. 2

eslabones , 2 CM

Fricción, sentido medial-lateral y anterior-posterior

FUERZAS EXTERNAS-FRSDIAGRAMAS SIMPLIFICADOS

Fuente: Autores

Método Analítico

•18 ec. dif. por sujeto de 2do orden•6 sujetos analizados•1 sujeto descartado

)(tFxkxbxm ext

)(tFkbI ext

)(2 sFksbsmsX ext

ksbsm

sFsX ext

2

ksbsmsF

sX

2

1

m

sXsm

m

sXksXsbsF

2

FUERZAS EXTERNAS-FRSDIAGRAMAS SIMPLIFICADOS

RESULTADOS CINETICOS-FUERZAS INTERNAS

FUERZAS PARA LA SIMULACIÓN

•Fuerzas internas críticas

ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO

Fuente: AutoresFuente: Autores

ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO

Fuente: AutoresFuente: Autores

TornilloAcople

Tapa

Anillo Superior

Rótula

Anillo Inferior

Hule

Base

Anillo de Presión

ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO

ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO

1

Fuente: Autores

ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO

Tornillo

AcopleTapa

Anillo Superior

Rótula

Anillo Inferior

Hule

Base

Anillo de Presión

ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO

2

Fuente: Autores

ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO

Tornillo

Acople

TapaAnillo Superior

Rótula

Anillo Inferior

Hule

Base

Anillo de Presión

ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO

3

Fuente: Autores

ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO

Tornillo

Acople

Tapa

Anillo SuperiorRótula

Anillo Inferior

Hule

Base

Anillo de Presión

ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO

4

Fuente: Autores

ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO

Tornillo

Acople

Tapa

Anillo Superior

RótulaAnillo Inferior

Hule

Base

Anillo de Presión

ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO

5

Fuente: Autores

ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO

Tornillo

Acople

Tapa

Anillo Superior

Rótula

Anillo InferiorHule

Base

Anillo de Presión

ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO

6

Fuente: Autores

ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO

Tornillo

Acople

Tapa

Anillo Superior

Rótula

Anillo Inferior

HuleBase

Anillo de Presión

ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO

7

Fuente: Autores

ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO

Tornillo

Acople

Tapa

Anillo Superior

Rótula

Anillo Inferior

Hule

BaseAnillo de Presión

ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO

8

Fuente: Autores

ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO

Tornillo

Acople

Tapa

Anillo Superior

Rótula

Anillo Inferior

Hule

Base

Anillo de Presión

ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO

9

Fuente: Autores

CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES

Ubicación

Dimensiones Generales

Material

UBICACIÓN

•Se coloca el mecanismo de alineación debajo de la rodilla mecánica en una prótesis supracondílea

CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES

Ubicación

Dimensiones Generales

Material

DIMENSIONES GENERALES

•Diámetro interno de la base: 30 mm

• Longitud total: 63,5 mm - 64,0 mm

• Masa: 123 g - 143 g

CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES

Ubicación

Dimensiones Generales

Material

MATERIAL• Aluminio 2024-T6• Relación de Poisson: 0,33• Módulo de Elasticidad 72,4

GPa• Esfuerzo de fluencia: 345

MPa• Esfuerzo de fatiga: 124 MPa

para 5 x 108 ciclos• Esfuerzo último: 427 MPa

Fuente: Materials Group, University of Cambridge

CARACTERÍSTICAS FUNCIONALES

Movimiento de la rótula

INCLINACIÓN Y ROTACIÓN

Fuente: Autores

ANÁLISIS DE FALLA

Modelo virtual

Esfuerzos de Von Mises

Falla por fatiga: Soderberg

MODELO VIRTUALSimplificaciones

Propiedades de los materiales

Condiciones de frontera

Interacciones

Pasos

Condiciones de carga

Densidad de enmallado

Fuente: Autores

ANÁLISIS DE FALLA

Modelo virtual

Esfuerzos de Von Mises

Falla por fatiga: Soderberg

ESFUERZOS DE VON MISES • Mecanismo

expuesto a esfuerzos máximos de hasta 116 Mpa

• ángulo máximo de 10º

• Para el análisis del mecanismo se utilizaron los valores de fuerzas máximos reportados en el análisis cinemático de los sujetos

Deformación

Acople 1 Acople 2

Caso 1 15,9% 15,9%

Caso 2 16,0% 16,0%

Caso 3 16,1% 16,1%

Caso 4 16,1% 15,9%

Fuente: Autores

ESFUERZOS DE VON MISES

Fuente: AutoresFuente: Autores

Acople 1 Acople 2

ANÁLISIS DE FALLA

Modelo virtual

Esfuerzos de Von Mises

Falla por fatiga: Soderberg

TEORÍA DE FALLAS DE SODERBERG• Factor de seguridad de 1,6

Fuente: Monge, G. 2009

0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500

20

40

60

80

100

120

140

Soderberg

Goodman

Gerber

ASME

Bagci

Diseño

Esfuerzos medios (MPa)

Esf

uer

zos

alte

rnan

tes

(MP

a)

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Valores experimentales:•Tobillo: Fmaxz= 2,41 P.C. •Rodilla:Fmaxy=2,1 P.C. •Rodilla: Fmaxz= 0,55 P.C.

Valores teóricos:•Tobillo: fuerzas de compresión de hasta 4

P.C•Rodilla: fuerzas de compresión de hasta

3,3-7,8 P.C.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

•Tobillo: Fuerzas compresivas 1,6 P.C. que en la prótesis.

•Rodilla: Fuerzas de 1,2 P.C. veces superiores a la fuerza antero-posterior máxima encontrada en la rodilla.

ANÁLISIS DE RESULTADOS

•.

Adaptación Longitud del muñón

ANÁLISIS DE RESULTADOS

•Fuerza vertical y Fuerza horizontal anterior-posterior son menores a su valor teórico.

Pasos cortos Ausencia de grupos musculares

•Fuerza horizontal media-lateral es mayor a su valor teórico.

Mayor ángulo de inclinación del fémur

ANÁLISIS DE RESULTADOS• Relación entre fuerzas externas y peso

corporal diferente a valores teóricos• Las personas que utilizan prótesis no

caminan de la misma manera que las personas que tienen ambas piernas biológicas:

Tiempo de adaptación La longitud del muñón Ajuste entre el socket y

el linerFuente: Autores

ANÁLISIS DE RESULTADOS•Comportamiento de las fuerzas de

reacción con la superficie.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Fue

rza

Z (

N)

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Porcentaje de paso-100

-50

0

50

Fuer

za Y

(N)

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Porcentaje de pasoFuente: Autores

ANÁLISIS DE RESULTADOS•Esfuerzo máximo

de 116 Mpa.•Ángulo permisible

de 10°

Fuente: Autores

ANÁLISIS DE RESULTADOS

•Vida útil de aproximadamente 17 años •Los valores más altos de esfuerzo se

presentan en el cuello

•Competitividad en el mercado: Versatilidad de movimiento. Tamaño (63,5 mm - 64,0 mm) Masa (123 g - 143 g)

Mecanismo Masa (g) Material ReferenciaAdaptador de tubo 90 Aluminio (TIMed,2010)

Adaptador con núcleo 63 Aluminio (TIMed,2010)

Adaptador para laminación

60 Aluminio (Ortoibérica,2009)

Adaptador para pie SACH 53 Aluminio (Ortoibérica,2009)

Adaptador doble 79 Aluminio (Ortoibérica,2009)

Adaptador hembra con rotación

40 Aluminio (Ortoibérica,2009)

Adaptador hembra con rosca

38 Acero Inoxidable (Össur, 2009)

ANÁLISIS DE RESULTADOSCaracterísticas de mecanismos de alineación

CONCLUSIONES

•El diseño del mecanismo permitirá que este se pueda adaptar a las prótesis supracondíleas y alinearlas de manera sencilla e inmediata.

•Los rangos angulares medidos durante las pruebas para los diferentes planos de movimiento de la prótesis, difieren de los valores reportados para piernas biológicas.

CONCLUSIONES

•Las fuerzas internas que se generan durante la marcha en la prótesis, son menores que las fuerzas internas que se generan en la pierna biológica.

•Los mayores esfuerzos que se generan en el mecanismo se presentan durante el movimiento de salida del ciclo de paso.

•El diseño del mecanismo es satisfactorio.

RECOMENDACIONES• Aumentar el número de sujetos en las pruebas.

• Restringir aún más la muestra mediante características como rango de longitudes del muñón y tipo de pie protésico.

• Utilizar mayor número de plataformas de fuerza.

• Disponer de un área de pruebas mayor tamaño.

RECOMENDACIONES•Utilizar cámaras de alta velocidad.

•Obtener los momentos de inercia particulares de cada sección.

•Incrementar el conocimiento acerca de la marcha en población latinoamericana.

¡MUCHAS GRACIAS!

AGRADECIMIENTOS•M.Sc. Pietro Scaglioni•M.Sc. Juan G. Monge •CPO. Dino Cozarelli•M.Sc. Axel Retana•Dra. Claudia Espinoza • Ing. Raziel F.

Sanabria• José Moncada, PhD•M.Sc. Guido Quesada

• Ing. Verónica Córdoba

• Ing. José D. Cordero• Ing. José E. Angulo•Sr. Oscar Flores•Srta. Heidy Saavedra•Sr. Eric Ramírez•Sr. Alex Rodríguez