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E5.1 Informe de validación de los resultados

Entregable: E5.1

Paquete de trabajo: PT5

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E5.1 Informe de validación de los resultados

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN 5

2. VALIDACIÓN MODELO BIOMECÁNICO PARA LA VALORACIÓN DE CODO 6

2.1. Material y métodos 6

2.1.1. Estado del arte 6

2.1.2. Colaboración con Mutuas 7

2.1.3. Protocolo de valoración 7

2.1.4. Prototipo de valoración 12

2.1.5. Muestra de ensayo 18

2.2. Procesado de datos 18

2.3. Resultados de la validación 19

3. VALIDACIÓN DE MODELO BIOMECÁNICO DE ORTESIS DE RODILLA 20

3.1. Procedimiento de Validación 20


3.1.2. Ortesis analizada 21

3.1.3. Procedimiento de medida 21

3.2. Resultados 21

4. VALIDACIÓN DE MODELO BIOMECÁNICO INTERACCIÓN SUJETO-BUTACA 23

4.1. Procedimiento de Validación 24


4.1.2. Butaca analizada 24

4.1.3. Procedimiento de medida 24

4.2. RESULTADOS 24

5. CONCLUSIONES 28

5.1. Modelo biomecánico para la valoración de codo 28

5.2. Modelo biomecánico DE ORTESIS DE RODILLA 28

5.3. MODELO BIOMECÁNICO DE INTERACCIÓN SUJETO-BUTACA 29

6. BIBLIOGRAFÍA 30

ANEXO 1 33

E5.1 Informe de validación de los resultados 5 | 39

1. INTRODUCCIÓN

Este entregable recoge toda la información sobre los ensayos para validar los resultados del proyecto. Esta validación se ha realizado junto con las empresas colaboradoras en el proyecto validando en entornos reales los modelos biomecánicos desarrollados.

La primera de las tareas corresponde con la Tarea 5.1 Pruebas de validación, en la que se han validado los resultados con las empresas colaboradoras para cada una de las aplicaciones desarrolladas.

En concreto, la empresa EMO ha validado los resultados R.2 Métodos de modelado avanzados y R.3 Método de simulación biomecánica de producto, para ello, se ha contado con uno de los diseños de ortesis con los que la empresa está trabajando

actualmente. La empresa ha validado el uso del modelo biomecánico de ortesis de rodilla desarrollado por el IBV para validar el diseño del producto antes de llegar a la fase de fabricación.

Por otro lado, la empresa Goznel también ha validado los resultados R.2 y R.3, en la cual, se ha utilizado el modelo biomecánico de interacción sujeto-butaca desarrollado por el IBV para validar diversos aspectos de diseño de una nueva butaca, antes de llegar a la fase de fabricación.

Las Mutuas IBMM y UMIVALE han validado los resultados R.1 Procedimiento de valoración biomecánica y R.4 Criterios de valoración biomecánica. Para ello, se ha instalado en las Mutuas un prototipo formado por el modelo biomecánico de miembro superior desarrollado por el IBV, además de los procedimientos y criterios de valoración que servirán para valorar la articulación del codo.

Una vez realizadas las pruebas de validación de cada uno de los modelos desarrollados se han analizado los resultados obtenidos en entorno real y comparado con técnicas ‘gold standard’, este trabajo corresponde con el desarrollo de la Tarea 5.2 Análisis de

los resultados obtenidos en entorno real.

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2. VALIDACIÓN MODELO BIOMECÁNICO PARA LA VALORACIÓN DE CODO

La validación del modelo biomecánico para la valoración de codo se ha realizado en las propias Mutuas colaboradoras en el proyecto. La transferencia a Mutuas corresponde no solo con el modelo biomecánico, sino con una metodología completa que se nutre de este modelo para ofrecer resultados fiables de interés para las Mutuas.

La metodología transferida consta de tres partes:

Protocolo de valoración: para la valoración de la articulación de codo se ha realizado

una colaboración intensa entre facultativos de las Mutuas colaboradoras y el equipo de

trabajo del IBV, además de una revisión bibliográfica sobre las patologías con mayor

incidencia que afectan a la articulación de codo. Como resultado, se ha definido un

protocolo de valoración de la articulación de codo.

Software: está formado por diferentes módulos en los que se incluye el modelo

biomecánico para la valoración de codo.

Hardware: se han desarrollado una serie de dispositivos para la valoración de la

articulación de codo.

2.1. MATERIAL Y MÉTODOS

2.1.1. Estado del arte

En la patología de codo se pueden diferenciar tres patrones: afectación tendinosa, afectación ósea/articular y afectación ligamentosa. En cada uno de los tres patrones se va a ver afectada la función del codo con una fisiopatología diferente en su origen causal, pero que posteriormente pueden converger en mecanismos de afectación comunes: rigidez postinmovilización en todo mecanismo traumático, afectación de partes blandas inicial sin evidencia de rotura, complicaciones de tipo infeccioso, neoformaciones, etc.

De forma general, la patología tendinosa engloba a toda afectación de tendones de inserción en los procesos óseos articulares o periarticulares del codo (musculatura extensora y flexora de codo y muñeca, localizada en brazo y antebrazo). El patrón de afectación principal es la fuerza de la musculatura afecta, en su fase aguda en contexto de dolor o rotura completa, y en fases crónicas por disminución de la movilidad como mecanismo antiálgico o inmovilizaciones conservadoras o postquirúrgicas. La consecuencia sería la disminución del balance articular. En este caso, las valoraciones deben ir enfocadas al estudio de la fuerza en gestos que impliquen la musculatura afecta, y el estudio del rango articular (en músculos biarticulares valorar las dos articulaciones implicadas).

En la patología ósea y articular se engloban las fracturas a cualquier nivel, y las artropatías traumáticas y atraumáticas (inflamatorias, degenerativas, infecciosas, neoplasias, etc.). En este caso la disrupción de la congruencia a nivel de la articulación tiene como consecuencia una rigidez y disminución del rango articular. Si esta disrupción ocurre a nivel directo en región de entesis puede verse implicada la debilidad muscular


de forma inicial. Cualquier situación postquirúrgica derivada de las situaciones descritas conlleva una potencial rigidez articular añadida. En estos casos primará el estudio del rango articular y además de la fuerza como consecuencia de la disminución de la movilidad o de la lesión añadida de la musculatura.

La patología ligamentosa suele estar asociada a fracturas óseas complejas o a mecanismos traumáticos de torsión con varo y valgo forzado del codo. El principal patrón de afectación es la inestabilidad del codo, cuya traducción objetiva en términos de funcionalidad es difícil de medir mediante pruebas biomecánicas más allá de la medición del rango. Lo habitual en las grandes inestabilidades de codo es que requieran intervenciones quirúrgicas o que hayan sido consecuencia de un mecanismo traumático de alta energía con otros componentes (óseos, partes blandas) asociados. Por lo que, a efectos prácticos, la valoración global funcional biomecánica se realizará nuevamente mediante rangos articulares y análisis de fuerzas, teniendo en cuenta los patrones de afectación de todas las estructuras afectadas.

2.1.2. Colaboración con Mutuas

A partir de la colaboración continuada realizada con las Mutuas IBMM y UMIVALE, se han obtenido las siguientes ideas para la definición del protocolo:

1. El protocolo empleado para la valoración de codo debe incluir todos los arcos de

movimientos funcionales del codo en el contexto de la realización de diferentes tareas.

Estos arcos serían: flexión y extensión de codo, pronación y supinación de antebrazo.

2. Los arcos de movimiento han de ser realizados tanto contragravedad como en carga y/o

durante la realización de fuerza con muñeca y mano.

3. Se debe incluir la medida de la fuerza de empuñamiento en varias posiciones, en

relación a la generación de fuerza durante maniobras de provocación en cuadros

dolorosos (fundamentalmente epicondilitis) y su repercusión en este parámetro.

4. Se debe valorar la inclusión de la medida de la actividad muscular en diferentes

maniobras en especial en cuadros dolorosos y a nivel de la musculatura afecta

(fundamentalmente en epicondilitis). Asimismo, se podría valorar la inclusión de

medidas de EMG con el objeto de valorar el patrón de activación muscular en sanos y

patológicos durante la realización de los distintos gestos que formarán parte de la

valoración funcional.

5. Incluir pruebas de fatiga muscular tanto en patologías que cursen con paresia como con

dolor. Valorar la inclusión asimismo de medida con EMG en las pruebas de fatiga.

6. La técnica o técnicas ideal/es sería aquella/s que nos permitan realizar una medida

completa (fuerzas y movimientos). En la realización de actividades funcionales se daría

prioridad a las variables cinemáticas. Además, sería recomendable usar métodos que

nos permitan medir la variabilidad y repetibilidad del gesto en aras de tener datos acerca

de la colaboración del paciente.

2.1.3. Protocolo de valoración

Tanto la búsqueda bibliográfica como las aportaciones de las Mutuas han dado lugar a la definición de un protocolo que sirva para valorar la articulación de codo, tanto en sujetos sanos como patológicos.

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A continuación, se describe dicho protocolo.

1. Calibración modelo

El paciente se colocará sentado, ambos pies apoyados en el suelo y espalda apoyada en respaldo lumbar de la silla. Se solicita al sujeto que se coloque en posición anatómica y permanezca quieto (miembro superior a medir en Abducción de 45˚ de hombro, extensión de codo, con palma hacia adelante con dedos extendidos) y el gesto durará un segundo. Gestos cíclicos.

2. Flexo/extensión de codo

Antebrazo posición neutra

Posición de inicio: sentado. El sujeto se colocará sentado con ambos pies apoyados en el suelo y espalda en contacto con respaldo (silla con respaldo lumbar adaptado a características del sujeto). El brazo a medir se colocará con codo aproximadamente a 90˚ de flexión y antebrazo en posición neutra (palma mira hacia medial), hombro en posición neutra, sin abducción, pero sin apoyar el codo en el tronco. El miembro superior contralateral sobre el regazo.

Pesos: Partiendo de tal posición, se le indicará al paciente que sujete el peso seleccionado y realice, a una velocidad cómoda y ligera, una extensión máxima seguida de una flexión máxima de codo de manera continua durante 20 segundos. Es importante indicar que debe llegar a su máximo rango. Se le marcará al paciente el inicio y el final de la secuencia. El ritmo debe ser el máximo que le permita llegar a sus topes de movimiento de forma confortable. El sujeto mirará al espejo durante toda la medida.

Este gesto se realizará con 3 pesos diferentes: peso de 0kg, 1kg y 2 kg.

Antebrazo posición pronado

Posición de inicio: sentado. El sujeto se colocará sentado con ambos pies apoyados en el suelo y espalda en contacto con respaldo (silla con respaldo lumbar adaptado a características del sujeto). El brazo a medir se colocará con codo aproximadamente a 90o de flexión y antebrazo en pronación (palma mira hacia el suelo), hombro en posición neutra, sin abducción, pero sin apoyar codo en el tronco. El miembro superior contralateral sobre el regazo.

Pesas: Partiendo de tal posición, se le indicará al paciente que coja la pesa seleccionada y realice, a una velocidad cómoda y ligera, una extensión máxima seguida de una flexión máxima de codo de manera continua durante 20 segundos. Es importante indicar que debe llegar a su máximo rango. Se le marcará al paciente el inicio y el final de la secuencia. El ritmo debe ser el máximo que le permita llegar a sus topes de movimiento de forma confortable. El sujeto mirará al espejo durante toda la medida.


Antebrazo posición supinado

Posición de inicio: sentado. El sujeto se colocará sentado con ambos pies apoyados en el suelo y espalda en contacto con respaldo (silla con respaldo lumbar adaptado a características del sujeto). El brazo a medir se colocará con codo aproximadamente a


90o de flexión y antebrazo en supinación (palma mira hacia el techo), hombro en posición neutra, sin abducción, pero sin apoyar codo en el tronco. El miembro superior contralateral sobre el regazo.

Pesos: Partiendo de tal posición, se le indicará al paciente que sujete el peso seleccionado y realice, a una velocidad cómoda y ligera, una extensión máxima seguida de una flexión máxima de codo de manera continua durante 20 segundos. Es importante indicar que debe llegar a su máximo rango. Se le marcará al paciente el inicio y el final de la secuencia. El ritmo debe ser el máximo que le permita llegar a sus topes de movimiento de forma confortable. El sujeto mirará al espejo durante toda la medida.


Prono/supinación de antebrazo

Posición de inicio sentado. El sujeto se colocará sentado con ambos pies apoyados en el suelo y espalda en contacto con respaldo (silla con respaldo lumbar adaptado a características del sujeto). El brazo a medir se colocará con codo aproximadamente a 90o de flexión antebrazo en posición neutra (palma mira hacia medial), hombro en posición neutra, sin abducción, pero sin apoyar codo en el tronco. Desde esta posición, el sujeto deberá asir la empuñadura correspondiente al dispositivo de fuerza destinado a la medida del gesto de pronosupinación. El agarre de dicha empuñadura será de tipo cilíndrico. El miembro superior contralateral se colocará sobre el regazo.

Dispositivo de fuerza: para realizar esta prueba se girará el asa del dispositivo 180o con respecto a la prueba anterior sin resistencia. El gesto consistirá en la realización de fuerza isométrica de pronación, primero desde supinación máxima (en este caso 60o), y pasando por cada una de las posiciones o ángulos, hasta llegar a pronación máxima (60º). Posteriormente, dentro de la misma secuencia, se realizará el mismo gesto, pero en sentido contrario (es decir, fuerza isométrica de supinación, partiendo de pronación máxima de 60º, hasta supinación máxima de 60o).

Para iniciar el gesto, en primer lugar, se colocará el asa de manera que quede alineada con el punto en el que quedan marcados 60o, en este caso correspondientes a la posición de supinación máxima del sujeto para el miembro considerado. El agarre del asa será cilíndrico. Desde esta posición, el sujeto realizará, a la orden del valorador, fuerza isométrica en sentido de pronación durante 2 a 3 segundos, seguida de cambio de posición al siguiente ángulo (en este caso 30o de supinación) y de nuevo fuerza isométrica hacia prono. Así se realizará para cada una de las posiciones hasta llegar a 60o de pronación. Una vez ahí, se repetirá la misma secuencia, pero en sentido contrario.

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Figura 1. Posiciones del dispositivo de pronosupinación resistida. La fuerza se realizará hacia supinación y hacia pronación en todas las posiciones. El inicio del gesto será siempre desde supinación de 60o y hacia la pronación, correspondiéndose esta posición con la del lado derecho o izquierdo según el miembro superior valorado (miembro superior derecho: se iniciará el gesto en la posición derecha máxima de 60o; miembro superior izquierdo: se iniciará el gesto en la posición izquierda máxima de 60o).

3. Gestos funcionales

Actividad de alcance

Posición de inicio: sentado. El sujeto se colocará sentado con ambos pies apoyados en el suelo y espalda en contacto con respaldo (silla con respaldo lumbar adaptado a características del sujeto). Antes del inicio de la prueba el sujeto asirá, asegurando el agarre seguro, el peso a trasladar durante la prueba. Con dicho peso sujeto en la mano del miembro a valorar, se le solicitará que acerque la base del peso (con un punto rojo) lo más cerca posible de la cara anterior del hombro (implicando una flexión de codo y supinación de antebrazo), de manera que el punto quede mirando hacia atrás. Hombro en posición neutra, sin abducción, pero sin apoyar codo en el tronco. El miembro superior contralateral sobre el regazo. Mirada al espejo en posición de inicio.

Prueba de alcance:

En primer lugar, con el sujeto sentado en la posición anteriormente descrita, se colocará la mesa a la altura correspondiente a la unión del tercio superior con el tercio medio del antebrazo.

Acto seguido, se acercará al sujeto hasta quedar el borde de la mesa justo a la altura de la punta del tercer dedo, con muñeca y mano extendidas, antebrazo neutro y codo a 90˚ de flexión. A continuación, se colocará la línea de referencia de la mesa sobre la que el paciente realizará el gesto de alcance alineada con este mismo dedo (3er).

Desde esta posición, se le solicitará al sujeto que, a la orden del evaluador, coloque el peso asido sobre la línea de referencia correspondiente, lo más lejos que pueda (extensión de codo), y quedando el peso boca abajo (palma hacia la mesa, pronación de

antebrazo) mirando al espejo, y no a la mesa. Habrá de realizar este gesto de forma ligera, lo más rápido que pueda, pero de forma confortable y permitiéndole alcanzar la máxima distancia. Una vez alcanzada esta distancia, y con el peso sobre la mesa, el sujeto permanecerá aproximadamente entre 1 y 2 segundos en esta posición, volviendo a la postura inicial a la orden del valorador. Dentro de la misma secuencia se repetirá el gesto 3 veces con un mismo peso.


La secuencia completa descrita, se repetirá en 3 ocasiones, una por cada uno de los pesos a movilizar (los mismos que en la prueba de flexo/extensión, en este caso 0kg, 1 y 2kg durante fase experimental).

Empuñamiento máximo en distintas posiciones

La medida en posición 1 y en posición 2 se realizará de manera secuencial dentro de la misma medida o registro de manera que se repetirá este gesto de manera cíclica en 3 ocasiones dentro de la misma secuencia.

Posición 1 (abajo): (codo en flexión de 90o). Realización de empuñamiento isométrico máximo. Consistirá en realizar fuerza de agarre máxima durante 2 a 3 segundos a la orden del valorador. La posición de inicio será la indicada por la ASHT (sentado, con dorso apoyado en respaldo y ambos pies apoyados en el suelo: hombro relajado, sin abducción, sin apoyo

sobre torso; codo a 90o de flexión, con antebrazo en posición neutra; muñeca en posición neutra o hasta 15o de flexión dorsal; agarre esférico de dinamómetro isométrico VEP.

Posición 2 (arriba): (codo en extensión completa, con hombro en flexión anterior de 90o). Realización de empuñamiento isométrico máximo, realizando fuerza de agarre máxima durante 2 a 3 segundos a la orden del valorador. La posición de inicio es equivalente a la posición 1, salvo que en este caso el codo se colocará en extensión completa y el hombro se

encontrará en flexión anterior de 90˚.

Empuñamiento máximo continuo con movimiento cíclico de codo

Partiendo de la posición 1 comentada en el punto previo, el sujeto deberá realizar fuerza de empuñamiento máximo desde el principio hasta el final de la medida. Dicha medida se realizará mientras el sujeto flexiona y extiende de forma continua el codo, a una velocidad autorregulada y cómoda para mantener la máxima fuerza de empuñamiento y llegar al máximo de flexión y de extensión según el caso. Se le dará la información al sujeto de que su prioridad debe ser alcanzar la máxima flexión y extensión de codo, y se le animará durante toda la prueba a mantener el nivel de fuerza de empuñamiento. La prueba durará 30 segundos. Es importante dejar 2 a 3 segundos antes de empezar a flexionar y extender el codo de forma cíclica, de cara a que el sujeto sea capaz de alcanzar su máxima fuerza de empuñamiento al inicio de la prueba.

Prueba extra resistencia muñeca-mano

Posición de inicio: sujeto en bipedestación, con pies fuera de la plataforma de medida. Hombro relajado, sin abducción, sin apoyo sobre torso; brazo alineado con tronco y codo a 90o de flexión, con antebrazo en pronación (palma mira hacia abajo) y muñeca en flexo/extensión neutra. Para ayudar a realizar el gesto, se colocará un soporte en la zona media del antebrazo pronado, permitiendo al sujeto descargar el peso del mismo y relajar el hombro en esta postura.

Desde dicha posición, el sujeto deberá asir con firmeza el agarre del dispositivo empleado para la presente prueba (palma de la mano quedará hacia abajo), cuya altura habrá sido ajustada según las características del individuo, de manera que colocado en la posición antes descrita pueda asir el objeto cómodamente quedando la barra metálica paralela al suelo y la cinta que une dicha barra con la pesa perpendicular a ella.

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Gesto evaluado: desde la posición anteriormente descrita y una vez asido el dispositivo de medida, el individuo deberá realizar una extensión de muñeca intentando levantar la pesa del suelo durante 20’’, realizando el máximo nivel de fuerza que su condición le permita. Es importante hacer hincapié en que la fuerza debe provenir de la muñeca (hacia extensión), y no del codo o del hombro, impidiendo que el sujeto levante el antebrazo del soporte en ningún momento.

2.1.4. Prototipo de valoración

2.1.4.1. Software

El software desarrollado consta de una primera pantalla ‘Datos’ en la que se incluyen toda la información relativa a los datos del sujeto a valorar, así como los datos de la

sesión de medida que se va a realizar (Figura 2).

Figura 2. Pantalla inicial.

Una vez introducidos todos los datos, se activa la siguiente pantalla, correspondiente a la pantalla de grabación, ‘Grabar’. En esta pantalla aparecen dos desplegables donde podemos seleccionar el miembro a valorar (izquierdo o derecho) y para cada uno de ellos todas las pruebas a realizar (descritas en el protocolo).


Figura 3. Pantalla Grabar.

La siguiente pantalla, ‘Identificar’, realiza una digitalización automática de marcadores. Pulsando la pestaña Identifica, los marcadores de la prueba seleccionada son identificados de forma automática y la medida pasa a estado verde, en caso de no estar identificada el estado es rojo (Figura 4 y Figura 5).

Figura 4. Pantalla identificar marcadores. Marcadores sin identificar.

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Figura 5. Pantalla identificar marcadores. Marcadores identificados.

Una vez realizadas las medidas e identificados todos los marcadores podemos pasar a la pantalla de resultados, ‘Resultados’. Tal y como se ha mencionado anteriormente, estos resultados se obtienen a partir del módulo del modelo biomecánico de miembro superior desarrollado en el proyecto.

En esta pantalla, se pueden representar tanto los ángulos como las velocidades de flexo/extensión y prono/supinación para cada una de las medidas realizadas (Figura 6).

Por otro lado, permite representar las fuerzas registradas por cada uno de los dispositivos utilizados en las pruebas de empuñamiento y prono/supinación (Figura 7).

Figura 6. Pantalla de resultados. Prueba de FE – Ángulo de FE y perspectiva.


Figura 7. Pantalla de resultados. Prueba de fuerza de empuñamiento en flexión y extensión – Fuerzas (N) y ángulo de

FE.

Por último, la pantalla ‘Informe’, permite generar plantillas personalizadas en las que añadir los resultados de interés de forma automática, permitiendo así reproducir de forma rápida los resultados de un mismo estudio (Figura 8).

Figura 8. Pantalla Informe.

2.1.4.2. Hardware

Se han desarrollado una serie de accesorios y dispositivos necesarios para la realización del protocolo definido.

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Accesorios:

Brazalete: el brazalete consta de tres marcadores colocados en forma de T. Su finalidad

es generar un plano para el cálculo de marcadores virtuales (Figura 9).

Figura 9. Brazalete con marcadores brazo.

Pesas: se has diseñado una forma específica de pesas. Las pesas diseñadas tienen una

forma ergonómica para adaptarse a la forma de la palma de la mano. Se han

incorporado unas cinchas para facilitar el agarre en las pesas de mayor peso. El prototipo

consta de tres pesas del mismo tamaño, pero diferentes pesos, 0kg, 1kg y 2kg.

Figura 10. Pesas.

Dispositivos:

Dispositivos de PS: se ha diseñado un dispositivo ‘ad hoc’ para la medida de la fuerza en

diferentes posiciones de prono/supinación (Figura 11). El dispositivo diseñado consta de

una célula de carga de medición de par estático (Figura 12) a la que se ha fijado una

empuñadura sobre la que se realizará la fuerza. Tal y como se ha descrito en el apartado

‘Protocolo de ensayo’, la medición del par se realiza en cinco posiciones diferentes, para

ello, el dispositivo se ha diseñado de forma que se puede seleccionar cada una de las

cinco posiciones correspondientes a 60o, 30o, 0o, -30o y -60o (Figura 13).


Figura 11. Diseño 3D de la carcasa del dispositivo de PS.

Figura 12. Célula de carga y amplificador.

Figura 13. Dispositivo de prono/supinación (célula de par, carcasa y mango).

Sistema de registro de fuerzas: durante la primera anualidad del proyecto se puso a

punto un sistema de registro de fuerzas (descrito en el E2.1 Demostrador del sistema

de medida) (Figura 14). Este sistema para la medida se utiliza para la medición de la

fuerza de empuñamiento en las pruebas definidas en el protocolo.

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Figura 14. Sistema de registro de fuerza.

2.1.5. Muestra de ensayo

Se han medido 40 sujetos sanos a partir de los cuales se han obtenido tablas de referencia que servirán como guía a los facultativos de las Mutuas. Esta muestra ha sido seleccionada para ser homogénea en género y edad. En la Tabla 1 se describe la muestra de sujetos sanos.

Tabla 1. Descripción de la muestra (sujetos sanos)

No sujetos Género (M) Género (F) Edad IMC

40 20 20 39±13 24.6±3.8

2.2. PROCESADO DE DATOS

Los sujetos sanos han sido medidos de acuerdo con el protocolo definido en el punto

‘2.1.3 Protocolo de valoración’ y el software desarrollado para dicho protocolo (incluye el modelo biomecánico de miembro superior desarrollado).

El modelo biomecánico desarrollado y puesto a punto en el PT4 proporciona los valores de ángulos y fuerzas de los gestos realizados en el protocolo propuesto.

A partir de estas medidas se han aplicado los algoritmos de cálculo definidas en el punto ‘2.1.2 Procesado de datos’ del entregable E4.2.

Una vez obtenidas las curvas de ángulo de movimiento de codo en el eje de prono/supinación y eje de flexo/extensión, así como las curvas de fuerzas, se han calculado para cada prueba las siguientes curvas y/o parámetros:

Prueba de FLEXO/EXTENSIÓN

o Cálculo del ángulo máximo y mínimo en el eje de movimiento de

flexo/extensión.

o Valores agrupados por tipo de prueba (posición neutro, prono y supino), por

género (masculino y femenino), y brazo (dominante y no dominante).

Prueba de PRONO/SUPINACIÓN


flexo/extensión.

o Valores agrupados por tipo de prueba (posición neutro, prono y supino), por

género (masculino y femenino), y brazo (dominante y no dominante).

Prueba FLEXIÓN-EXTENSIÓN


o Cálculo de la fuerza máxima en posición de máxima flexión y en posición de

máxima extensión.

o Valores agrupados por género (masculino y femenino), y brazo (dominante y no

dominante).

Prueba DINÁMICA


flexo/extensión.

o Cálculo de la curva de fuerza media y máximo de la fuerza.


dominante).

Prueba RESISTENCIA MUÑECA

o Cálculo de la curva de fuerza media y máximo de la fuerza.


dominante).

2.3. RESULTADOS DE LA VALIDACIÓN

Se han instalado dos prototipos del sistema de valoración completo (metodología de valoración, software y hardware) en ambas Mutuas colaboradoras (UMIVALE e IBERMUTUA). Los facultativos de ambas Mutuas han realizado diversas valoraciones a pacientes con patología de codo. Esta trasferencia corresponde con el R.1 Procedimiento de valoración.

Las curvas y parámetros calculados, a partir de las medidas de 40 sujetos sanos, han sido organizados en una serie de fichas que servirán como referencia a los facultativos de las Mutuas. Estas fichas se encuentran adjuntas en el Anexo 1, cuyos resultados son:

Prueba de FLEXO/EXTENSIÓN: el rango de movilidad de codo en el eje de

prono/supinación es similar para el lado dominante y no dominante. Aparecen

diferencias en el género, siendo el rango de movilidad entre 7o-12o mayor para el género

femenino. Entre las diferentes posiciones del antebrazo (neutro, prono y supino) los

rangos de movilidad son similares entre las posiciones neutro y supino, disminuyendo

una media de 10o en la posición prono.

Prueba DINÁMICA: las diferencias en rango entre géneros aumentan, de forma similar

a la prueba de FLEXO/EXTENSIÓN, siendo el rango de movilidad entre 12o-14o mayor

para el género femenino. Si comparamos los resultados con la prueba de

FLEXO/EXTENSIÓN (posición neutro), el rango disminuye de media 8o para el género

masculino y 3o para el femenino. Las curvas de fuerza media tienen una tendencia

similar para todos los casos, obteniendo un pico de fuerza máximo al inicio y

disminuyendo hasta el 45% de la fuerza máxima en el caso del género masculino y 48%

para el género femenino. La fuerza es un 30% de media menor para el género femenino.

Prueba de fuerza en FLEXIÓN/EXTENSIÓN: la fuerza es un 5% menor en posición de

flexión para el género masculino y un 2% menor en posición de flexión para el género

femenino.

Prueba de resistencia muñeca: muestra una tendencia similar en la curva media de

fuerza para cada género y brazo, disminuyendo 2N para brazo no dominante y 5N para

el género femenino.

Todos estos resultados descritos y transferidos a las Mutuas corresponden con la transferencia del R.4 Criterios de valoración biomecánica.

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3. VALIDACIÓN DE MODELO BIOMECÁNICO DE ORTESIS DE

RODILLA

En la validación del modelo biomecánico de ortesis de rodilla la empresa EMO ha colaborado aportando los perfiles de usuario necesarios, así como la ortesis a validar. Además, ha validado los resultados obtenidos a partir del modelo biomecánico implementado. Esto corresponde con los resultados R.2 Métodos de modelado avanzado y R.3 Método de simulación biomecánica.

En el E4.2 se determinó la metodología para la realización de simulaciones del efecto de la ortesis sobre los usuarios. La Figura 15 muestra los resultados de una simulación comparada con una medida experimental.

Figura 15. Activación de cuádriceps con ortesis monotutor en medidas experimentales (izqda.) y simulaciones (dcha.)

Como se comentó en el entregable 4.2, los resultados demostraban una mayor

activación muscular debido al uso de ortesis respecto a no usarla y se calculó la diferencia porcentual de activación en el caso experimental y virtual determinando que una constante de K=1200 era la que mejor se ajustaba para conseguir un error máximo del 10% entre medidas experimentales y simulaciones.

En esta última fase de validación del modelo, la empresa colaboradora EMO ha aportado los perfiles de sujetos de interés en la validación, así como el diseño de ortesis.

3.1. PROCEDIMIENTO DE VALIDACIÓN

Durante el PT5 se ha realizado la validación de la metodología desarrollada en el PT4. Para ello se ha realizado una comparativa entre simulaciones virtuales y medidas experimentales a partir del modelo biomecánico y parámetros puestos a punto en el entregable 4.2.


La muestra de ensayo tenido en cuenta para la validación han sido 4 sujetos, correspondientes a los sujetos 1, 2, 4 y 5, cuyas características se describen en el entregable 4.2.

Se han tenido en cuenta las medidas experimentales con ortesis bitutor realizadas por estos usuarios durante la realización de movimientos de sentadilla. Además, para los


resultados de simulación se ha trabajado con modelos musculo-esqueléticos adaptados antropométricamente a las medidas de los sujetos.

3.1.2. Ortesis analizada

La ortesis analizada ha sido una ortesis bitutor, descrita en el punto 3 del entregable 4.2, que aporta una sujeción firme de la articulación de rodilla en ambos lados (lateral y medial) impidiendo el giro de rodilla y estabilizando la articulación. La fijación de la ortesis a la pierna de los usuarios se realiza a través del ajuste de 4 cinchas elásticas que permiten controlar el grado de ajuste a la rodilla.

3.1.3. Procedimiento de medida

Como se ha mencionado previamente, los sujetos fueron instrumentados con una ortesis bitutor, marcadores reflectantes de fotogrametría y sensores de electromiografía superficial.

Una vez instrumentados se procedió a la medida de un movimiento de sentadillas, grabado por medio de fotogrametría y realizado sobre 2 plataforma de fuerzas. Simultáneamente se registraron las activaciones musculares de tibial anterior, gemelo, isquiotibiales y cuádriceps.

Con las medidas experimentales registradas y procesadas, se procedió a la realización de las simulaciones con OpenSim. A partir de ello se extrajeron las activaciones musculares simuladas por el modelo y se realizó la comparación con los datos experimentales previamente detallados.

El objetivo es demostrar que la metodología puesta a punto a partir de una fase de

experimentación es aplicable a otros datos experimentales adquiridos con distintos tipos de ortesis.

3.2. RESULTADOS

Recordando los resultados del entregable 4.2, como se puede observar en la Figura 16, se observan diferencias entre el empleo de ortesis y la realización del movimiento sin ortesis, tanto en el caso experimental como en el virtual.

Las simulaciones con ortesis bitutor muestran el mismo patrón que los datos experimentales, tal y como se muestra en la Figura 16.

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Figura 16. Activación de recto femoral con ortesis bitutor en medidas experimentales (izqda.) y simulaciones (dcha.)

Una vez normalizadas las señales experimentales y simuladas se puede realizar una comparativa de las diferencias obtenidas a partir de la metodología desarrollada. Con una K=1200 determinada previamente, las diferencias (en %) de las activaciones musculares en ortesis bitutor se muestran en la Tabla 2.

La media de diferencia de activación (en %) para medidas experimentales es de 12.2% mientras que para las simulaciones es de 18%.

A partir de estos datos se establece que el porcentaje de error que se genera al realizar medidas virtuales es de un 5.8% respecto de las medidas experimentales.

Tabla 2. Diferencia (%) entre medidas experimentales y parámetro K=1200 en ortesis bitutor.

EXPERIMENTAL (%) VIRTUAL (%)

SUJETO 1 15.33 13.54

SUJETO 2 13.33 24.91

SUJETO 4 9.57 17.29

SUJETO 5 10.59 16.43

MEDIA 12,21 18,04


4. VALIDACIÓN DE MODELO BIOMECÁNICO INTERACCIÓN

SUJETO-BUTACA

En la validación del modelo biomecánico de interacción sujeto-butaca, la empresa GOZNEL ha colaborado aportando los principales problemas de diseño asociados al diseño de un producto concreto (butaca de hospital). Además, ha validado los resultados obtenidos a partir del modelo biomecánico implementado. Esto corresponde con los resultados R.2 Métodos de modelado avanzado y R.3 Método de simulación biomecánica.

En el entregable 4.2 fue puesta a punto una metodología para la simulación de diferentes configuraciones de butaca y sus efectos sobre las variables biomecánicas del

usuario.

A partir de 2 medidas experimentales con una butaca de diferentes alturas y ángulo de reposapiés, se lanzaron una serie de simulaciones que permitieron el estudio de los

efectos sobre el momento de fuerzas en la rodilla y la fuerza muscular en el cuádriceps (Figura 17).

Figura 17. Ángulos, momentos y fuerza muscular obtenidas con la metodología diseñada en el entregable 4.2

El objetivo de este punto es comparar los resultados de simulación para diferentes ángulos de reposapiés obtenidos previamente con una nueva medida experimental con ángulo de reposapiés conocido y evaluar si los resultados de la medida experimental coinciden con los obtenidos en la simulación biomecánica.

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4.1. PROCEDIMIENTO DE VALIDACIÓN

Durante el PT5 se ha realizado la validación de la metodología desarrollada en el PT4. Para ello se ha realizado una comparativa entre simulaciones virtuales y medidas experimentales a partir del modelo biomecánico y parámetros puestos a punto en el entregable 4.2.


Se ha realizado la medición de un usuario de 90kg de peso y altura de 1,80 m. El usuario ha realizado 2 movimientos de sentarse y levantarse de la silla. En uno de los movimientos el ángulo de reposapiés inicial ha sido menor de 90° (saliente) y en la otra medida ha sido mayor de 90° (recogido).

4.1.2. Butaca analizada

Dentro de la colaboración llevada a cabo con empresas, la empresa GOZNEL mostró su interés en el diseño de butacas, en concreto la colaboración se basó en el estudio de un prototipo inicial de butaca de hospital (desarrollado dentro del marco del proyecto IVACE-CE0900437).

La butaca analizada es una butaca de hospital ergonómica pensada para mejorar la comodidad usuario. La butaca ofrece ajuste de reposapiés y respaldo para adaptarse a las condiciones del usuario.

Ofrece una posición de semitumbado con pies elevados y respaldo inclinado, una posición de respaldo recto y reposapiés con ángulo inferior a 90° y una posición de respaldo recto y reposapiés con ángulo superior a 90°.

La medida experimental se realiza con esta butaca a fin de compararla con la misma butaca diseñada virtualmente en OpenSim y comparar así los momentos sobre la rodilla y las fuerzas musculares obtenidas.

4.1.3. Procedimiento de medida

El sujeto con la espalda recta, sentado en la butaca y los brazos cruzados sobre el pecho, deberá levantarse hasta alcanzar una posición de sedestación sin la ayuda de los brazos.

Para la realización de esta medida será instrumentado con marcadores de fotogrametría y realizará el movimiento sobre 2 plataformas de fuerzas para calcular las fuerzas de reacción realizadas al levantarse de la butaca.

Posteriormente, los resultados obtenidos a partir de los resultados experimentales serán comparados con los resultados previos de simulación para aquellos ángulos de

reposapiés que más se aproximen a las medidas experimentales.

4.2. RESULTADOS

A continuación, se muestran los resultados obtenidos a partir de la experimentación real con la butaca de Goznel. Los ángulos iniciales de reposapiés han sido de 90° y 57° aproximadamente. Para la validación se compararán con los ángulos virtuales del mismo valor.


Los ángulos para las medidas realizadas experimentalmente con la butaca de Goznel se muestran en la Figura 18.

Figura 18. Ángulos de rodilla experimentales para 2 posiciones de reposapiés distintas

La señal experimental a 60° presenta un pico abrupto debido a la flexión de torso y estabilización necesaria para poder levantarse desde una posición de sedestación sin ayuda de las manos. Este mismo pico, que aumenta ligeramente el ángulo de flexión también se observa en las señales simuladas para ángulos de reposapiés inferiores a 75° (Figura 39 del entregable 4.2)

Los momentos de la rodilla extraídos a partir de las fuerzas externas se muestran en la Figura 19.

Figura 19. Comparación de momento de rodilla durante paso de sedestación a bipedestación para medida experimental y simulada.

En la Tabla 4 se observa que el rango de momento (N/m) de las medidas virtuales difiere en un 3,65% para el ángulo aproximado de 90° de reposapiés y un 2,94% para el ángulo aproximado de 60° de reposapiés.

Al igual que se observaba en la figura 39 del entregable 4.2, los momentos sobre la rodilla son mayores cuanto mayor es el ángulo inicial de reposapiés puesto que es

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necesaria una menor alineación del centro de masas del cuerpo con la base de apoyo de los pies y por lo tanto el peso del cuerpo actúa a una distancia mayor de la rodilla.

Tabla 3. Momento máximo de medida experimental con butaca Goznel y medida simulada.

EXPERIMENTAL VIRTUAL

Momento máximo (Nm) 79.42 87.94

La diferencia entre el valor obtenido por simulación respecto del momento máximo obtenido de forma experimental es de 10.72%.

Tabla 4. Rangos de momento articular sobre la rodilla para medidas experimentales y simulaciones correspondientes


90° 60° 90° 60°

Rango de momento (Nm) 79 34 82 35

A partir de estos datos se valida que la simulación de distintos ángulos de reposapiés y el empleo de una fuerza patrón para cada sujeto se acerca a las medidas experimentales realizadas en laboratorio.

A partir de la cinemática y dinámica para esta medida experimental, también se puede extraer la fuerza muscular realizada por el cuádriceps (Figura 20 y Figura 21).

Figura 20. Fuerza muscular de cuádriceps durante transición de sedestación a bipedestación a 60°.


Figura 21. Fuerza muscular de cuádriceps durante transición de sedestación a bipedestación a 90°.

A partir de los datos de la Tabla 5, se puede determinar que la diferencia (en %) entre medidas experimentales y simulaciones, para la máxima fuerza muscular del cuádriceps, es de 5.86% para el caso de 90° y de 3.01% para el caso de 60°.

Tabla 5. Fuerza máxima de cuádriceps para medidas experimentales y simulaciones


90° 60° 90° 60°

Fuerza máx. (N) 6616 6823 7004 7029

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5. CONCLUSIONES

5.1. MODELO BIOMECÁNICO PARA LA VALORACIÓN DE CODO

1. Definición de metodología completa y aplicación para la valoración de codo a

partir del desarrollo de un modelo biomecánico, para la articulación del codo, que permite la obtención, de forma rápida y fiable, de variables cinemáticas y dinámicas.

2. Metodología que consta de un protocolo de valoración con 18 pruebas, a partir de las cuales el software desarrollado calcula diferentes variables cinemáticas y dinámicas. Los parámetros son comparados con bandas de normalidad obtenidas de la muestra de población analizada (40 sujetos sanos).

3. Transferencia de prototipo y metodología a dos Mutuas (UMIVALE e IBERMUTUA). Ambas Mutuas han validado el uso valorando a pacientes con diversas patologías.

4. Gran utilidad de la metodología y resultados obtenidos para los facultativos, ya que les permite la obtención de variables objetivas de forma rápida y fiable y la comparación de los resultados con medidas de referencia de sujetos sanos.

5.2. MODELO BIOMECÁNICO DE ORTESIS DE RODILLA

Los resultados mostrados en la validación muestran que el planteamiento de la metodología establecido para estudiar las distintas interacciones del cuerpo humano con objetos externos se aproxima a la realidad.

1. Metodología novedosa, cuyo objetivo es la puesta a punto inicial de un entorno virtual y la validación de las simulaciones realizadas, sin necesidad de la realización de medidas en laboratorio.

2. Las diferencias cuantitativas entre resultados experimentales y simulaciones se deben a la novedad del procedimiento planteado y a la necesidad de más pruebas con el fin de reducir el error cometido.

3. Se ha conseguido el modelado de ortesis de rodilla, ángulos articulares y ortésico, momentos articulares y activaciones musculares, así como el análisis de los efectos sobre el cuerpo humano.

4. A partir de la introducción en el modelado de fuerzas de compresión simuladas, se pueden recrear las señales de actividad muscular obtenidas experimentalmente.

5. La validación del modelo biomecánico de ortesis de rodilla desarrollado, realizada en colaboración con la empresa EMO, en la que se ha estudiado un modelo de ortesis de dicha empresa ha arrojado resultados satisfactorios.

6. Se ha estudiado el efecto de la ortesis sobre la cinemática de la marcha sin necesidad de fabricar la ortesis, utilizando los diseños CAD. Esto ha despertado especial interés debido a la reducción de costes de fabricación que proporcionan este tipo de estudios, así como la información que aportan a priori para la fase de diseño.


5.3. MODELO BIOMECÁNICO DE INTERACCIÓN SUJETO-BUTACA

1. La simulación de ángulos articulares y una fuerza patrón, asociada a un sujeto de

características determinadas, permite recrear los efectos de distintas configuraciones de butaca sobre el cuerpo humano durante un movimiento de sedestación a bipedestación.

2. Viabilidad inicial de esta metodología para mejorar el diseño de elementos a partir de un entorno virtual y conocer los efectos de distintas configuraciones para la comodidad del usuario sobre los movimientos del cuerpo humano.

3. Gran interés del sector de diseño de mobiliario debido a una similitud mayor del 90%, en el proceso de validación, entre el prototipo de butaca de la empresa GOZNEL y el entorno virtual modelado.

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6. BIBLIOGRAFÍA

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E5.1 Informe de validación de los resultados ©


ANEXO 1

MOVHUM19 - Generación de criterios para la valoración y diseño de productos basados en el estudio de modelos biomecánicos Modelo de miembro superior para la valoración de la articulación del codo - Bandas de normalidad

Proyecto (IMDEEA/2019/60) financiado por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (IVACE),

cofinanciado por ERDF Funds (EU Operational Programme for Valencian Community 2014-2020)

34

©

FLEXO/EXTENSIÓN Tabla 6. Bandas de normalidad para el rango del ángulo de FE (o) en posición neutro. Las bandas superior e inferior representan las medias ±SD de los máximos y mínimos respectivamente. Gráfica de ejemplo dibujada.

NEUTRO MASCULINO FEMENINO

DOMINANTE (11 o - 131o)

RANGO 120o

NO DOMINANTE (13 o - 133o)

RANGO 120o


RANGO 127o


RANGO 130o



Tabla 7. Bandas de normalidad para el rango del ángulo de FE (o) en posición prono. Las bandas superior e inferior representan las medias ±SD de los máximos y mínimos respectivamente. Gráfica de ejemplo dibujada.

PRONO MASCULINO FEMENINO

DOMINANTE (20o - 131o) RANGO 111o

NO DOMINANTE (20o - 135o) RANGO 115o

DOMINANTE (19o - 140o) RANGO 121o

NO DOMINANTE (16o - 141o) RANGO 125o

Tabla 8. Bandas de normalidad para el rango del ángulo de FE (o) en posición supino. Las bandas superior e inferior representan las medias ±SD de los máximos y mínimos respectivamente. Gráfica de ejemplo dibujada.

SUPINO

MASCULINO FEMENINO DOMINANTE

(16 o - 133o) RANGO 117o NO DOMINANTE

(17 o - 135o) RANGO 118o DOMINANTE


(12 o - 141o) RANGO 129o

36

©

PRONO/SUPINACIÓN Tabla 9. Bandas de normalidad para el rango del ángulo de PS (o) en fuerza libre. Las bandas superior e inferior representan las medias ±SD de los máximos y mínimos respectivamente. Gráfica de ejemplo dibujada.

MASCULINO FEMENINO DOMINANTE (22 o - 156o)

RANGO 134o


RANGO 132o


RANGO 150o


RANGO 151o



DINÁMICA (FLEXIÓN/EXTENSIÓN) Tabla 10. Bandas de normalidad para el rango del ángulo de FE (o). Las bandas superior e inferior representan las medias ±SD de los máximos y mínimos respectivamente. Gráfica de ejemplo dibujada.

ÁNGULO FE



(15 o - 129o) RANGO 114o DOMINANTE


(9 o - 137o) RANGO 128o

Tabla 11. Fuerza de empuñamiento (N).

FUERZA MASCULINO FEMENINO

DOMINANTE Fmax = 275N

NO DOMINANTE Fmax = 241N

DOMINANTE Fmax = 191N

NO DOMINANTE Fmax = 170N

38

©

FUERZA FLEXIÓN-EXTENSIÓN Tabla 12. Bandas de normalidad de la fuerza (N) en posición de flexión a 90o/extensión. Las bandas representan las medias ±SD de las fuerzas máximas alcanzadas para cada posición. Gráfica de ejemplo dibujada.

MASCULINO FEMENINO DOMINANTE Fflexión = 288N

Fextensión = 304N

NO DOMINANTE Fflexión = 230N

Fextensión = 241N

DOMINANTE Fflexión = 201N

Fextensión = 202N

NO DOMINANTE Fflexión = 161N

Fextensión = 166N



RESISTENCIA MUÑECA Tabla 13. Fuerza de resistencia muñeca (N).


Fmax = 16N NO DOMINANTE

Fmax = 14N DOMINANTE

Fmax = 10N NO DOMINANTE

Fmax = 8N

e5.1 informe de validación de los resultados

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