martes, 25 de octubre de 2011

Avances Proyecto final Diseño Biomecánico 1

Autores: 
V. Corchuelo
L.M Abadía

Proyecto final
Diseño Biomecánico 1

· Diseño conceptual:


1.    Identificación de la necesidad:

- La realización de dorsi/planti flexión sin ayudas de personal externo en pacientes con ulcera varicosa en su tratamiento.
- Retomar de nuevo  su movilidad, debido a que el dolor que produce esta enfermedad impide la misma.
- Recuperación del flujo sanguíneo  normal, para evitar la aparición de futuras ulceras.


2.    Planteamiento del problema:

La Ulcera Varicosa es una enfermedad que se presenta con mayor frecuencia en pacientes de la tercera edad, ya que es en esta edad donde hay mas problemas de circulación haciendo que aparezcas las famosas varices como la dilatación permanente de las venas superficiales por el mal funcionamiento de las válvulas que normalmente se encuentran en estas venas, asociándose a una debilidad especifica en la pared venosa[1].  Cuando estas no son tratadas se pueden presentar lesiones en la piel que son profundas y con poca posibilidad de cicatrización por la mala circulación venosa (Ulceras Varicosa)[2].

Uno de los factores que incide en la carencia de una buena circulación y en el origen de la enfermedad es la falta de actividad muscular por parte de la pantorrilla, puesto que esta actúa como bomba muscular ayudando al retorno venoso a vencer la gravedad, que al fallar este mecanismo aumenta la presión venosa que se puede derivar finalmente en la ulceración.
Una de las fallas de esta bomba muscular son desordenes del sistema nervioso y muscular, vida sedentaria y patología articular[3].

Se requiere entonces que los pacientes que presentan Ulcera Varicosa retomen  la actividad muscular necesaria para el funcionamiento de la bomba muscular con ejercicios de dorsi y planti flexión, pero estos pacientes por su avanzada edad le es difícil realizar los ejercicios por si solos y en la consecución del mismo por la falta de tonicidad muscular y la rápida fatiga en el ejercicio. Es por esto que se requiere un mecanismo que les permita ejecutar dichos ejercicios para la recuperación de la enfermedad, ayuda en la circulación (recuperación del flujo sanguíneo  normal) y movilidad del paciente; que se reúne en la primera necesidad.


3.    Análisis de soluciones:

Para determinar una solución particular que dé respuesta a la necesidad identificada se establecen cuatro (4) criterios específicos para realizar la evaluación de posibles soluciones. Los criterios se enuncian a continuación así como el porcentaje que representa cada uno en la selección.

-   C1: Seguridad (30%)
-   C2: Eficiencia (28%)
-   C3: Costo (20%)
-   C4: Comodidad (22%)

Soluciones planteadas:

1.            Alternativa 1:

Equipo que se acople a una silla con mecanismos de cadenas y pedales para la ejecución de la dorsiflexion y la plantiflexion.

2.            Alternativa 2:

Sistema electroestimulador electrónico ubicado en la zona de los músculos encargados de la plantiflexion y dorsiflexion. (Soleo y Gastrocnemio).

3.            Alternativa 3:

Equipo acoplado a una silla con mecanismos accionados por motores  y acoplados a  dos pedales para la ejecución de la dorsiflexion y la plantiflexion.

4.            Alternativa 4:

Equipo acoplado a camas, en donde el paciente repose sus pies en un tipo de calzado ajustable de acuerdo a la talla del pie, el cual va sujeto a unos soportes con resortes graduables comenzando en dorsiflexion (resorte en estado natural); y el paciente realiza el ejercicio de plantiflexion comprimiendo los resortes, que luego estos por la fuerza de reacción devuelven el pie a dorsiflexion, y de esta manera realizar los ejercicios de planti y dorsiflexion.

Análisis de ventajas y desventajas:


Cada alternativa planteada fue analizada de acuerdo a los criterios de evaluación propuestos.

Análisis de alternativa No. 1: De acuerdo a los criterios de solución planteados, esta solución responde a la necesidad y no somete al paciente a riesgos de ningún tipo durante la realización del ejercicio, resulta eficiente pues no es necesaria una fuente externa de suministro de energía y tampoco implica un costo energético elevado para el paciente lo que implica una ventaja en el diseño. Debido a que el diseño es acoplado a una silla los costos se reducen y ademas presenta características de portabilidad y comodidad pues se puede utilizar una silla que el paciente o el terapeuta considere mas conveniente.


Alternativa 2:  El sistema electroestimulador planteado es seguro para el paciente considerando aspectos en el diseño de protección contra corrientes eléctricas y bajo calibraciones especificas. Se considera que el diseño no presenta alta eficiencia pues con este tipo de solución es posible fatigar el musculo pero no se han realizado estudios ni se tienen datos registrados de investigaciones que demuestren ventajas ante el tratamiento de ulcera varicosa. Los costos de este tipo de sistema se consideran bajos y debido a la estimulación por electricidad se identifica una desventaja, pues es posible que los pacientes no respondan bien ante el tratamiento y se sientan incómodos ante la percepción de corriente eléctrica sobre la piel.

  Alternativa 3: Esta solución responde a la necesidad y no somete al paciente a riesgos que atenten contra su salud durante la realización del ejercicio, se identifica una desventaja en el costo, pues debido a la complejidad (sistema electro-mecánico) los costos económicos iniciales del diseño y de consumo eléctrico son elevados. Se presenta gran comodidad para el paciente pues no es necesario que el paciente realice esfuerzo para realizar el plantiflexion y dorsiflexion.


 Alternativa 4: El equipo acoplado a camas resulta  una solución cómoda para el paciente por la posición. Presenta inseguridad para el paciente por la utilización de resortes, si estos no se encuentran debidamente acoplados a los pedales. El equipo presenta una desventaja en relación con la eficiencia pues solo es útil acoplado a una cama.


Evaluación de alternativas de solución:

Soluciones planteadas
C1 (30%)
C2 (28%)
C3 (20%)
C4 (22%)
Totales
Alternativa 1
4,5
4,5
3,5
4
4,13
Alternativa 2
4
3
4
3,5
3,63
Alternativa 3
4,5
4
2
5
3,88
Alternativa 4
3,5
4
4
4,5
4,00

4.    Síntesis de solución:

Alternativa 1:
Equipo acoplado a una silla con mecanismos de cadenas y pedales para la ejecución de la dorsiflexion y la plantiflexion.



Dibujo del diseño


Normativas:

Las siguientes son las normativas a tener en cuenta para el diseño de la alternativa seleccionada[4]:

-          ISO 13485,  Norma internacional que rige los sistemas de control de la calidad en la  fabricación de dispositivos médicos en caso de contar con el remplaza al ISO9000.  En cada país existen laboratorios acreditados para realizar las pruebas y expedir el  certificado ISO

-          ISO 783:1999, Materiales metálicos; Pruebas de tensión a altas temperaturas.  Comprobación de que los instrumentos metálicos soportan altas temperaturas (para el caso de la esterilización).  En cada país existen laboratorios acreditados para realizar las pruebas y expedir el certificado ISO.

-          ISO 4957, Aceros para herramientas. En cada país existen laboratorios acreditados  para realizar las pruebas y expedir el certificado ISO: Análisis típico [%],  Densidad,  Dureza de suministro, Propiedades y aplicación,  Tratamiento térmico: recocido, endurecido, revenido.

-          ISO 7153   Instrumentos quirúrgicos, materiales metálicos. Parte 1: Acero  inoxidable. Contiene una inspección y una selección de los aceros inoxidables disponibles para uso en la fabricación de material de cirugía, dental e instrumentos específicos para cirugía ortopédica. Considera los grados de los aceros y sus composiciones químicas. En cada país existen laboratorios acreditados para realizar las pruebas y expedir el certificado ISO.

-          ISO 13485:2003. Manejo de calidad estandarizada para dispositivos médicos.  Dispositivos médicos - Sistemas manejo de la calidad-Requisitos para los propósitos reguladores.

-          ISO 13488:1996. Sistemas de calidad-Dispositivos médicos-Requisitos particulares  para el uso de ISO9002

-          ISO/TR 14969:2004. Dispositivos médicos. Sistemas de manejo de calidad. Guía  para el uso de ISO 13485:2003

-          ISO 14971:2000. Dispositivos médicos. Aplicación del manejo de riesgos en  dispositivos médicos.
  
-          ISO/TR 16142:2006. Dispositivos médicos-Dirección en la selección de estándares  en apoyo de principios esenciales reconocidos de la seguridad y del funcionamiento de dispositivos médicos.


6. Diseño de detalle


Función de desempeño:

La función de desempeño depende de las siguientes consideraciones: funcionales, geométricas y del material.

Requerimientos funcionales:

La máquina a diseñar debe soportar una distribución de carga de máximo de 150 kg, valor establecido tomando como referencia el peso promedio de la población colombiana para este rango de edad. El diseño debe soportar la carga y realizar el ejercicio de dorsi y planti-flexion sin fallar.

Debe ser de altura ajustable en las extremidades inferiores.

Características geométricas:

Dentro de las características geométricas se realizó un análisis de medidas antropométricas para el diseño.

De acuerdo a la tabla No. 1 se calculó la masa de los segmentos y la forma de los soportes del diseño, así como el diámetro.

Masa y longitud de segmentos del cuerpo humano
Segmento
Masa del segmento
Longitud del segmento
Densidad


Proximal
Distal
(kg/l)
Mano
0.006
0.506
0.494
1.16
Antebrazo
0.016
0.430
0.507
1.13
brazo
0.028
0.436
0.564
1.07
Brazo y antebrazo
0.022
0.682
0.318
1.14
Brazo total
0.050
0.530
0.470
1.11
Pie
0.0145
0.500
0.500
1.10
Ante pierna
0.0465
0.433
0.567
1.09
Pie y ante pierna
0.061
0.606
0.394
1.09
Pierna
0.100
0.433
0.567
1.05
Total pierna
0.161
0.447
0.553
1.06
Cabeza y cuello
0.081
1.000
__
1.11
Tronco
0.497
0.500
0.500
1.03
Biomechanics and Motor Control of Human Movement, 3rd edition (John Wiley & Sons 2005)
Table 1


En cuanto la longitud de las estructuras de la alternativa seleccionada, se escogieron las medidas antropométricas de la siguiente tabla.

Hombres
Mujeres
Nombre
Dimensiones
5%
50%
95%
5%
50%
95%
Estatura
A
1.649
1.759
1.869
1.518
1.618
1.724
Altura ojos
B
1.545
1.644
1.748
1.427
1.520
1.630
Altura hombros
C
1.346
1.444
1.564
1.210
1.314
1.441
Altura cintura
D
0.993
1.102
1.168
0.907
0.985
1.107
Altura caderas
E
0.761
0.839
0.919
0.691
0.742
0.832
Altura silla
F
0.859
0.927
0.975
0.797
0.853
0.911
Altura ojos sentado
G
0.743
0.800
0.855
0.692
0.743
0.791
Longitud del brazo
H
0.333
0.361
0.389
0.306
0.332
0.358
Longitud del brazo y mano
I
0.451
0.483
0.517
0.396
0.428
0.458
Longitud de la pierna superior
J
0.558
0.605
0.660
0.531
0.578
0.628
Longitud de la pierna inferior
K
0.506
0.553
0.599
0.461
0.502
0.546
Tabla 2. Longitudes antropométricas.




DIMENSIONES DE MANO Y DE PIE DE HOMBRES Y MUJERES ADULTOS, EN PULGADAS Y CENTIMETROS, SEGÚN LA SELECCIÓN EN PERCENTILES.

PERCENTIL
I
J
K
L*
M*
N
O
P
Q
R
95
pulg
8.07
4.63
3.78
9.11
10.95
11.44
8.42
4.16
10.62
2.87
cm
20.5
11.8
9.6
23.1
27.8
29.1
21.4
10.6
27.0
7.3
5
pulg
7.00
3.92
3.24
7.89
9.38
9.89
7.18
3.54
9.02
2.40
cm
17.8
10.0
8.2
20.0
23.8
25.1
18.2
9.0
22.9
6.1

Tabla 3. Dimensiones de mano y pie para el diseño de  manubrio y soporte pedales[5].



Clasificación del sistema y subsistemas para el diseño de detalle:
Sistema (MRUV)

-       Subsistema 1 (Mecanismos):
§  Cadenas (Comercial)
§  Estrellas para cadenas (Comercial)
§  Pedales (Comerciales)

-    Subsistema 2 (Estructura):
§  Tornillos (Comercial)
§  Soporte inferior de pedales y cadena (Diseño)
§  Soporte central (Diseño)
§  Soporte superior de cadena y manubrio (Diseño)
§  Soportes de piso (Comerciales)
§  Sujetador de silla (Comercial)

-    Subsistema 3 (Elementos de confort):
§  Velcro de aseguramiento en los pies. (Comercial)


· CALCULOS

-     Estructura: Subsistema No. 2.

Para el cálculo de las fuerzas que inciden sobre el soporte central  que son los brazos y los pies, el valor de estas, se determina a partir de los datos antropométricos de la siguiente manera:

Fuerza de brazos:

Tomando una masa de cuerpo de 150 Kg y 0.050 segmento de masa para el total brazo (tabla 1).




De igual manera para la fuerza de piernas:




En cuanto a la longitud del tubo central se toman los percentiles 95 de la altura poplítea o longitud pierna inferior más un cuarto de la longitud de la pierna superior, en la medida para varones en metros (tabla 2).




A continuación se muestra el diagrama de fuerzas sobre el soporte central y el cálculo de las reacciones y el momento, para obtener el grosor o espesor del tubo del material de aluminio.

§  Soporte central (Diseño):

Se plantearon funciones de singularidad para determinar el momento máximo del segmento y así poder calcular las el espesor y los diámetros del soporte.



Como resultado se tiene que el momento máximo y las reacciones para x = 0.801 m son:




Ahora, se tiene que:






§  Soporte inferior de pedales y cadena (Diseño)


Para la longitud del soporte de los pedales se tomo como referencia el ancho de los pedales comerciales, de tal forma que quedaran ubicados equidistantes a la interconexión del soporte central y este. Para una longitud total de 40cm. 

A su vez de acuerdo a la tabla 3 para el percentil 95 el ancho de los pies es de 10.6cm y por simetría para la ubicación de los pedales, se tomaron de un ancho de 12cm.

Para realizar el cálculo del diámetro y de momento se  tomo el sistema a la mitad, pues de lo contrario el momento seria 0.

Al realizar el planteamiento de las funciones de singularidad, se determinó el valor del momento generado, el cual tiene un valor de 23.66 Nm.

De acuerdo al momento se encontró el diámetro, que para este caso fue de 14.88 mm, se siguió el procedimiento descrito anteriormente para el calculo del diámetro del soporte central.

§  Soporte superior de cadena y manubrio (Diseño)



Para calcular las longitudes del soporte se tuvo en cuenta la longitud del soporte de los pedales, ya que estos dos deben quedar acoplados simétricamente para el posicionamiento de las cadenas.

De acuerdo a esto, la longitud total del soporte es 40 cm y las cadenas estan ubicadas a 20 cm del eje central.

Para realizar el cálculo de las longitudes de las alturas se tomo como referencia la tabla No. 2. H=0.389 m ≈ 0.4 m, es la altura desde el soporte central y J = 0.660 m se tomo como referencia para la longitud desde el soporte central hasta el paciente. (J/2 = 0.330 m ≈ 0.35 m)

Para ejercer el movimiento de las cadenas se realizo un acople por medio de un eje perpendicular al soporte, el valor tomado corresponde al valor K de la tabla 3.

Para el soporte superior se realizo sumatoria de momentos, de acuerdo al valor obtenido, se calculo el diámetro del soporte. El momento máximo encontrado presenta un valor de 14.56Nm.

Por lo cual el diámetro exterior mínimo debe ser de 12.6 mm. Se tomo como valor de diámetro 21.33 mm ya que esta parte va soldada al soporte central, por lo cual los diámetros deben ser iguales.


·      Selección del material:

Como el diseño a implementar debe ser portable y por ende liviano se escogió como material el aluminio, ya que este material es de fácil accesibilidad, costos manejables y presenta propiedades físicas necesarias para lo que va ha ser implementado en el diseño de la alternativa seleccionada.

Entre estas propiedades encontramos[6]:

§  De fácil mecanizado.

§  Muy maleable, permite la producción de láminas muy delgadas.

§  Bastante dúctil, lo que hace la fabricación de diferentes formas y aplicaciones; por medio de la fundición, forjamiento y extrusión.

§  Material blando (Escala de Mohs: 2-3). Límite de resistencia en tracción: 160-200 N/mm2 [160-200 MPa] en estado puro, en estado aleado el rango es de 1400-6000 N/mm2. El duraluminio es una aleación particularmente resistente.

§  Material que forma aleaciones con otros metales para mejorar las propiedades mecánicas.

§  Material soldable.

§  Con CO2 que absorbe el doble de impacto.

§  El aluminio y sus alecciones se caracterizan por la relativamente baja densidad (2.7 g/cm3 comparada con 7.9g/cm3 del acero).

§  Resistencia a la corrosión el algunos medios, incluyendo el atmosférico

Además:

Material
E[GPa]
ρ[Mg/m3]

Comentarios


Aleaciones de aluminio



70



2.8



2.98
Presenta moderado índice de desempeño, fácil de transformar, durable, inoxidable y reciclable.

Por lo anterior se escogió como mejor material para el diseño de la alternativa el aluminio.


El aluminio es el más ligero de los metales, su temperatura de fusión es relativamente baja, es muy flexible y ligero, además. Por ser un material con muchos usos sin perder sus propiedades. Por ser un material ductil exhibira un alto intervalo de deformacion plastico antes de fracturarse.


[1] http://www.varix.cl/varice.htm. Consultado el 21 de Octubre del 2011
[2] http://www.varix.cl/ulcera.htm Consultado el 21 de Octubre del 2011
[3] http://www.slideshare.net/jjcustodio/ulcera-varicosa-1574539 Consultado el 24 de Octubre del 2011
[4] http://www.fda.gov/default.htm y http://www.resna.org/atStandards/standards.dot Consultado el 31 de Octubre del 2011
[5] http://www.siafa.com.ar/notas/nota182/mandos.htm. Consultado el 22 de Noviembre del 2011
[6] Callister, Jr. William D. Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Editorial Reverte S.A. Pag 378

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