Memorias II Congreso Latinoamericano de Ingeniería Biomédica, Habana 2001, Mayo 23 al 25, 2001, La Habana, Cuba

EVOLUCIÓN EN EL DISEÑO DE LA HERRAMIENTA PARA EL MONTAJE DE UN CLAVO INTRAMEDULAR EN FRACTURAS DIAFISIARIAS DEL PRIMER HUESO METACARPIANO Y. Gonzálezº, O. Falcón*, G. Contrerasº, J. Bendayánº * Escuela de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad Central de Venezuela, P.O. Box 48222, Caracas 1050-A, Venezuela. º Centro de Bioingeniería, Facultad de Ingeniería, Universidad Central de Venezuela, P.O. Box 50361, Caracas 1050-A, Venezuela. email: [email protected]

RESUMEN En este trabajo se presentan los diseños del instrumental quirúrgico necesario para facilitar la inserción y posterior bloqueo de un clavo intramedular a utilizarse en cirugías para reducir y estabilizar fracturas diafisiarias en el primer hueso metacarpiano. El dimensionamiento y la configuración geométrica de las partes del instrumento ha sido establecida en cada prototipo, en función de la geometría del dispositivo de fijación, de la ergonomía y de la alineación y estabilidad inherente al acople herramienta-clavo. Su modelado tridimensional se realizó utilizando programas especializados como ProEngineer [6] y Mechanical Desktop [5]. Se procedió a fabricar en aluminio el primer prototipo a escala mayor tanto de la herramienta como del dispositivo, realizándose luego el ensayo In Vitro que permitió obtener los resultados iniciales por medio de los cuales se realizaron las modificaciones pertinentes. Palabras clave: fractura diafisiaria, metacarpiano, diseño, proceso de fabricación.

primer

1. INTRODUCCIÓN Las fracturas de la mano son sumamente comunes. Debido a la importancia intrínseca de su función y al papel que juega el pulgar en la ejecución de la misma, es primordial para el cirujano ortopédico estabilizar la fractura previniendo la rotación por consideraciones funcionales y estéticas. Así un tratamiento será eficaz cuando se logra el equilibrio entre la necesidad de una función efectiva y el aspecto normal de la mano. Por lo tanto, el objetivo del tratamiento de la fracturas en los metacarpianos, aparte de la preservación de los arcos longitudinales y transversos y prevención contra deformidad rotatoria, será el de ofrecer un aspecto lo mas normal posible de la mano con un tiempo total de incapacidad relativamente corto. [1] Actualmente en Venezuela se está incursionando en el área de la bioingeniería, muchas son las propuestas de trabajo dirigidas a la ejecución de proyectos con el fin de diseñar y fabricar dispositivos a bajo costo para el uso de

la medicina venezolana, varios de ellos son innovadores y representan un gran avance en el desarrollo científico y tecnológico del país; además, son capaces de competir en calidad con dispositivos similares creados en el mercado internacional. Los progresos alcanzados están dirigidos a entender, controlar y reforzar los aspectos biológicos en la curación de la fractura donde el entorno mecánico siempre será un elemento crucial. El manejo clínico de las fracturas debe influenciar las condiciones biológicas y mecánicas para que la capacidad original de soporte de carga del hueso se restaure tan rápidamente como sea posible; la proporción en que dicha capacidad es restaurada esta estrechamente ligada con el método de estabilización de la fractura. [1] Es así como surge la necesidad de crear un instrumento versátil, cuya aplicación permita el manejo de un clavo intramedular con bloqueo al momento de su colocación para el tratamiento de fracturas diafisiarias ocurridas en el metacarpiano del pulgar. El desarrollo de esta investigación, se encuentra en su tercera etapa y su concepción se ha basado en información bibliográfica especializada en el área de traumatología, en mediciones geométricas obtenidas de la simulación computacional del primer metacarpiano y demás componentes de la columna osteoarticular del pulgar, así como también de las consideraciones aportadas por doctores especialistas en el área, adscrito al Centro de Bioingeniería.

2. METODOLOGÍA 2.1. Reconstrucción del primer metacarpiano Para configurar geométricamente el dispositivo de fijación de manera que se adaptara a la trayectoria del canal medular y establecer las posibles zonas de bloqueo, fue necesario simular en 3D la forma y dimensiones del primer metacarpiano mediante el uso de tomografías axiales computarizadas (fig. 1 y 2). En la reconstrucción de este hueso se utilizaron dos programas para diseño de sólidos tridimensionales ProEngineer y Mechanical Desktop.

950-7132-57-5 (c) 2001, Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo 00149

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Fig. 3 Últimos diseños del dispositivo de fijación con bloqueo para el tratamiento de fracturas diafisiarias en el metacarpiano del pulgar. Nótese el detalle de la cabeza del segundo prototipo. (software: ProEngineer) Fig.1 Simulación de la reconstrucción del primer hueso metacarpiano. (software: Mechanical Desktop y ProEngineer)

Fig.2 Detalle de un corte transversal hecho al metacarpiano del pulgar. Nótese en el interior parte del canal medular. (software: ProEngineer)

2.2. Modelado del dispositivo de fijación Una vez obtenido el sólido tridimensional del pulgar, se procedió a tomar ciertas consideraciones y a realizar el cálculo aproximado de las dimensiones del hueso para el diseño del clavo intramedular, cuya configuración proporcionó los principios básicos para el modelado de la herramienta. Entre las mediciones tomadas tenemos: altura promedio y tamaño del área transversal más angosta del canal medular. En cuanto a las consideraciones más importantes tenemos: zona de inserción del clavo, ligamentos y tendones asociados a dicha zona, geometría básica de la punta, cabeza y trayectoria del eje longitudinal del clavo, material de fabricación, etc. En la fig. 3 se muestran dos de los diseños del sistema intramedular, siendo el segundo el más reciente el cual esta conformado por dos orificios transversales para su bloqueo distal y proximal en el hueso y una cabeza con un agujero ciego y muesca colateral para el acople de la herramienta; esta combinación le proporciona al sistema quirúrgico la estabilidad y agarre necesario para insertar y fijar el clavo en la médula del hueso. Por otro lado, el dispositivo cuenta con un ángulo en su geometría que facilita su adaptabilidad a la forma del interior del hueso cuando el clavo pasa a través de la ranura de inserción.

Fig. 4 Vista tridimensional del ensamble del clavo en el canal medular del hueso. (software: ProEngineer)

2.3. Diseños preliminares inserción

del instrumental de

Para el diseño de las partes que conforman la herramienta, se establecieron algunos criterios fundamentales para asegurar el correcto desempeño de la misma; como ejemplo de estos tenemos: partes con geometrías sencillas, piezas adaptadas a los requerimientos de uso, geometrías que ofrezcan una resistencia mecánica acorde con las solicitaciones a las cuales van a ser sometidas, uso de materiales biocompatibles y resistentes, piezas que permitan a la herramienta tener el tamaño necesario para el manejo del dispositivo de fijación, facilidad de fabricación, diseño de piezas ergonómicas y como punto más importante, la estabilidad mecánica inherente a la unión de las piezas que conforman el instrumental; ya que de ello depende la correcta inserción del clavo y la alineación de los orificios guía de la herramienta con los agujeros del clavo donde se introducirán los tornillos de fijación. Actualmente, se trabaja en la fase de diseño y construcción de los prototipos propuestos del instrumento (fig. 5 y 8), los cuales fueron realizados tomando en cuenta ciertas características comunes a otras herramientas distribuidas por casas comerciales para el manejo de dispositivos intramedulares [3] y [4].

2.3.1 Diseño, construcción y ensayo experimental del primer prototipo El diseño del primer modelo consta de tres partes fundamentales las cuales, unidas entre sí, conforman la estructura del instrumental de inserción. En primer lugar tenemos al mango direccional (fig. 5.a) el cual juega un papel importante dentro de las funciones que se espera cumpla la herramienta, por ser la pieza que guiará al cirujano al momento de introducir el tornillo que fijará al dispositivo una vez clocado en el canal medular; en tal sentido y como se mencionó anteriormente, su correcta disposición con respecto al orificio del bloqueo es imprescindible por lo que se debe asegurar en todo momento que no exista movimiento relativo alguno entre las partes del instrumento que comprometan su estabilidad. Esta función la cumple el mango de inserción (fig. 5.b), cuyo eje sirve como eslabón de acople entre las piezas del sistema quirúrgico y se conecta a la cabeza del clavo mediante una unión roscada. Por último tenemos al conector (fig. 5.c), cuya función es la de ensamblar el extremo posterior del clavo al mango direccional. Esta configuración esta basada en el primer modelo de clavo mostrado en este trabajo (fig. 3.a), donde la entalla hecha en la cabeza del clavotiene forma de cruz canalada.

Se construyeron las primeras piezas del prototipo en escala 3:1 (fig. 6) para la realización de ensayos experimentales donde se evaluó el comportamiento de la herramienta durante el proceso de inserción del clavo. Las pruebas se realizaron utilizando un modelo del clavo hecho en aluminio y una copia experimental del pulgar fabricado en resina polyester preacelerada con canal medular a base de poliuretano (fig. 7.a). Con los resultados obtenidos, se efectuaron las modificaciones pertinentes a fin de mejorar el diseño y la funcionalidad de la herramienta y del clavo.

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Fig. 7 Ensayo experimental realizado al sistema. a) componentes del ensayo, b) simulación del proceso de inserción, c) colocación del clavo intramedular, d) vista de la cabeza del clavo una vez introducido.

2.3.2 Diseño del segundo prototipo

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Fig.5 Modelado en 3D de las partes del primer modelo de herramienta., 5.a) mango direccional, 5.b) mango de inserción con eje roscado, 5.c) conector entre el clavo y la herramienta. (Software: ProEngineer).

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Fig. 6 Vista tridimensional de las piezas fundamentales que conforman el sistema quirúrgico después del proceso de fabricación del primer prototipo.

En función de los resultados obtenidos mediante el ensayo In Vitro y de las recomendaciones aportadas por doctores especialistas a lo largo del desarrollo de este trabajo, se han realizado modificaciones al instrumental con el objeto de mejorar su funcionalidad, aspecto geométrico y agregar otras piezas que proporcionen mayor estabilidad y una mejor alineación de la herramienta con el dispositivo de fijación. El segundo modelo propuesto, conserva las partes básicas mostradas en el prototipo anterior, habiéndose agregado una guía cilíndrica y el soporte (fig. 8). La primera fue creada con el propósito de precisar aún más los orificios para el bloqueo del clavo, es un cilindro con agujero concéntrico pasante de menor diámetro que sirve para introducir la broca del taladro que genera el agujero base para el roscado del tornillo de fijación. Una vez tallado el agujero base en el hueso, se extrae la guía cilíndrica del mango direccional y a través del orificio que queda en él se hace pasar el instrumento para fijar el tornillo en el hueso. La función del soporte consiste en proveer un

punto de apoyo para darle firmeza al mango direccional al momento de realizar el bloqueo.

realización de los ensayos experimentales, se han obtenido los siguientes resultados: • El proceso de fabricación del mango direccional resultó ser complejo por ser un sólido compuesto, es decir, un sólido de revolución incrustado en otro sólido formado por caras planas. (fig. 5.a) • Las partes de la herramienta se mantuvieron estables durante la inserción del clavo en el ensayo realizado. • La empuñadura del mango de inserción resultó ser poco ergonómica.

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4. CONCLUSIÓN

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Fig. 8 Vista tridimensional de las piezas que conforman el más reciente modelo de la herramienta. a) conector entre el clavo y la herramienta, b) mango de inserción, c) mango direccional, d) guía cilíndrica, e) soporte. (software: ProEngineer)

• La configuración geométrica propuesta para la herramienta resultó ser funcional para la inserción del sistema intramedular, es decir; mostró una estructura resistente con las dimensiones que en general, fueron adecuadas para el manejo y guía del clavo durante de su recorrido a través del canal medular del primer hueso metacarpiano. • Se hace necesario modificar la empuñadura del mango de inserción de manera de obtener una geometría más ergonómica. • Se observó que los acoples de las piezas que estructuran el cuerpo de la herramienta fueron satisfactorios durante el ensayo experimental, lo que permite aseverar que el mango direccional conservó en todo momento su posición con relación al resto del sistema.

5. TRABAJO FUTURO

Fig. 9 Ensamble del sistema quirúrgico completo (Herramienta y clavo intramedular).

2.4. Materiales propuestos para la construcción final de la herramienta Una vez obtenido el modelo final del instrumental de inserción, hay que tomar en cuenta algunos aspectos al momento de escoger el material de fabricación de las piezas, como por ejemplo: proceso de fabricación, costo, uso de la pieza, normas, etc. Por ser piezas utilizadas en el área de traumatología, es indispensable que los materiales usados sean biocompatibles y resistentes. En tal sentido para la construcción de las piezas de la herramienta que entran en contacto temporal con el tejido se propone el uso de un acero inoxidable AISI 420 (210 HB, Sƒ: 620 N/mm2, St: 670 N/mm2, ñ: 7.75) tratable térmicamente, lo que se traduce en una mejor resistencia mecánica a la deformación de dichas piezas. Con respecto al mango direccional, se utilizará una aleación de aluminio, alternativa adecuada para su construcción.

3. RESULTADOS Posterior a la fabricación de las partes que conforman el primer prototipo de la herramienta y después de la

• Se requiere construir el segundo modelo con las dimensiones reales de diseño y con los materiales estudiados para su fabricación; para así comprobar la efectividad en las uniones, prestando especial atención en el conector entre el clavo y la herramienta. • Debido a que en escala real, el tamaño del diámetro del clavo no sobrepasa los 4.5mm., se hace necesario un cambio en el diseño de las muescas del conector; debido a que la concepción en forma de cruz que se propuso anteriormente, deja un espesor muy pequeño de pared que podría acarrear problemas en los dientes que se forman después de la fabricación de la entalla en cruz. • Se requiere la realización de más ensayos experimentales que argumenten la funcionalidad y estabilidad del sistema.

6. REFERENCIAS [1] BROWNER, Bruce D., JUPITER, Jesse B., LEVINE, Alan M., Skeletal Trauma, Volumen II, 2da edición, pág. 1225 al 2438, 1998. [2] KAPANDJI, A. I.; “Fisiología Articular”, Tomo I, Miembro Superior, 5ta edición, pág. 298, 1998. [3] http://tristan.membrane.com/aona/tech/ortho/index.html. AONA [4] ZMS Intramedullary fixation. Catálogo. [5] Mechanical Desktop, “Tutorial and user´s 1998”. Ed Autodesk, Inc. U.S.A. 592 p. [6] Manual ProEngineer-Release, 1998.

EVOLUTION IN THE DESIGN OF THE TOOL FOR THE PLACEMENT OF AN INTRAMEDULLARY NAIL FOR TREATMENT OF FIRST METACARPAL BONE DIAPHYSARIES FRACTURES ABSTRACT This work shows some advances in the surgical tool design for a simple and easy placement of a locked intramedullar system to be used in surgeries to reduce and stabilize the first metacarpal bone diaphysaries fractures. The instrument geometric configuration has been established in each prototype in function of the geometry fixation device, ergonomics aspects and the alignment and stability related with tool-nail assembly. The three-dimensional modeling was carried out using specialized programs as ProEngineer and Mechanical Desktop. The tool model and nail model were built in aluminum to scale 3:1 to be tested In Vitro, the initial results allowed to perform some modifications focused to optimize the prototype. Keywords: diaphysaries fractures, design, factory process.