Programa multidisciplinario; Implementación y desarrollo de prótesis de miembro inferior desde un punto de vista de sistema integral Clave SIP; 20111283 Director del Programa; Dr. Guillermo Urriolagoitia-Sosa Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Sección de Estudios de Posgrado e Investigación

Proyecto individual; Implementación y desarrollo de prótesis de tobillo desde un punto de vista de sistema integral Clave SIP; 20113391 Director del Proyecto; Dr. Guillermo Urriolagoitia-Sosa Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Sección de Estudios de Posgrado e Investigación 1.- Resumen En la actualidad el diseño y desarrollo de prótesis se realiza por medio de aplicaciones interdisciplinarias muy variadas, las cuales han presentado un gran éxito en el campo de estudio. La importancia en la diversificación del diseño de prótesis, radica en el aumento que existe en las amputaciones de extremidades inferiores. Según reportes del IMSS, 70% de las amputaciones no traumáticas de pie son consecuencia de complicaciones infecciosas por diabetes mellitus. Aunque existe un 5% de amputaciones derivadas de accidentes automovilísticos, de trabajo o quemaduras de tercer grado. Mientras que la SSA, informa que en un año se realizaron 75 000 amputaciones de miembro inferior en México. Pareciera que todo lo anterior aparentemente no justifica la necesidad del desarrollo de prótesis de miembro inferior, cuando la persona no tiene la necesidad. La justificación se encuentra en restablecer a la vida cotidiana, sin limitaciones mayores a un individuo discapacitado y esta justificación, aún es mayor cuando se trata de infantes. De acuerdo a lo anterior es imprescindible evaluar biomecánicamente los casos de prótesis de cadera, rodilla y pie. Se requiere de una investigación interdisciplinaria, que considere aspectos de análisis de marcha, rehabilitación, ortopedía, procedimientos quirúrgicos, análisis de esfuerzos en condiciones estáticas, dinámicas y de fatiga, además de diseño mecánico, entre otras áreas de estudio. Para este efecto se pueden desarrollar modelos numéricos que se apeguen a la realidad y que personalicen la necesidad de cada una de las prótesis desarrolladas. En los particular para el proyecto que el que suscribe desarrolla, el objetivo principal es el diseñar y desarrollar prótesis para miembro inferior (cadera, rodilla-píe y/o pie) desde el punto de vista de un sistema total y personalizado. Donde el producto final sea económicamente y tecnológicamente accesible a la mayoría de la población de la república mexicana. Partiendo de la investigación interdisciplinaria a realizar, se podrá desarrollar una tecnología que pueda ser transferida al sistema productivo nacional. Asimismo, se

desea que el desarrollo de las prótesis sean realizadas (en lo posible en un inicio) por universidades y centros de educación del país. Para este efecto se conjunto cuatro expertos en diferentes áreas como son; Cadera, Rodilla y Pie. Así como, un experto en desarrollo de procedimientos mecánicos y herramentales. 2.- Introducción En el entorno nacional, la población con algún tipo de discapacidades física o mental es cada día es mayor. Por lo que es necesario sensibilizar al pueblo mexicano para el diario trato y correcto convivio que precisan los individuos con algún tipo de discapacidad. El dignificar al individuo con una discapacidad física o mental no soluciona la problemática de estas personas, sin embargo, permitiría un mejor acercamiento y facilitaría la relación con los científicos encargados en satisfacer sus necesidades. La ley general sobre las personas con discapacidad [1], publicada el 10 de junio de 2005, menciona que una persona con discapacidad es aquella que presenta una deficiencia física, mental o sensorial, ya sea de naturaleza permanente o temporal, que limita la capacidad de ejercer una o más actividades esenciales de la vida diaria, que puede ser causada o agravada por el entorno económico y social. La fundación de discapacidad y salud, en el 2001, establece que la discapacidad engloba las deficiencias, las limitaciones en la actividad y las restricciones en la participación y así, deja de emplearse como una parte de las consecuencias de la enfermedad, para todas las condiciones de salud negativas [2]. 2.1.- Antecedentes A lo largo de la historia se ha recopilado información general acerca de la discapacidad, su evolución se presenta gracias a los avances médicos y al tecnológico. Teniendo como resultado un cambio en la perspectiva social. Lo que hoy conocemos como discapacidad es el resultado de distintas variables religiosas, demográficas, técnicas, científicas y sociales. Los antecedentes históricos datan desde los orígenes de la misma humanidad y se pueden dividir en 3 grandes grupos (antigua, media y moderna) [3]. • Era antigua.- En esta época se puede notar, que se consideraba a la discapacidad como una manifestación divina, asociada a castigos que se debían al mal comportamiento o como consecuencias de sus actos. En la época griega y romana, a los niños que nacían con alguna discapacidad o si la desarrollaban a lo largo de su infancia, se consideraban como un castigo impuesto por los dioses a sus padres, por lo que suponían que tenía derecho a matarlos. Sin embargo, a los soldados que eran heridos en batalla y por esa razón quedaban discapacitados, se les otorgaba una pensión y beneficios sociales [4]. Mientras que en las sociedades cristianas, se consideraba como una maldición o un castigo a las discapacidades [5]. En la ciudad de Roma alrededor del año 540 a.C. se permitía el infanticidio, promovido por la ley de las Doce Tablas, la cual brindaba el derecho al padre de probar de la vida a su hijo inmediatamente después de nacer con discapacidad [3].

• Edad media.- En esta época, fue muy estigmatizado el hecho de tener una discapacidad y debido a la gran influencia de la religión, se presenta la cura por medio de metodologías religiosas. Se presenta la aparición de exorcismos y rituales teológicos. Es aquí donde inicia la aparición de asociaciones altruistas, como albergues para personas con discapacidad impulsados por la iglesia. Se consideraba a las enfermedades mentales y a las discapacidades como presencias de demonios. Sin embargo, a pesar de las persecuciones hacia los discapacitados y enfermos mentales en Europa se presenta la creación de asilos árabes [6]. • Edad moderna.- Durante el siglo XVI se presentan importantes desarrollos en la ciencia, principalmente en el caso de la anatomía y filosofía. Es en esta época cuando el hombre comienza a entender el comportamiento y funcionamiento del cuerpo humano. Sin embargo, los ideales de Calvino y sus seguidores seguían tratando a los discapacitados y enfermos mentales como poseídos. Pero para el siglo XVII eran admitidos niños con cualquier tipo de discapacidad ya que eran considerados capaces de aprender, sin embargo, debían permanecer en internados, separados de sus familias y de su comunidad [7]. Posteriormente, Francis Bacon precursor de la filosofía natural y en el campo de la metodología científica [8], en 1605 presenta un trabajo en el cual refuta al castigo divino como causa de enfermedad mental y propone las premisas que guiaron el tratamiento. I.1.2.- Causas La discapacidad es un tema de gran importancia, tanto social como medicamente, ya que la cantidad de personas que la padecen aumenta constantemente debido a enfermedades no trasmisibles, sino por causas externas [10]. La industrialización, el uso de tecnología en el sector salud y la urbanización han generado que el ser humano envejezca a un ritmo acelerado. Es importante conocer las causas de las discapacidades para que en un futuro poder establecer un plan profiláctico que permita disminuir dichos padecimientos. En el 2001 se realizó un estudio de las causas de las enfermedades en América latina (Tabla 1). Tabla 1.- Causas de las enfermedades en América latina [11] Enfermedades, Lesiones y/o Accidentes País Argentina Barbados Bolivia Brasil Chile Colombia Costa Rica

Adquiridas Tránsito X X X X X

X X X X X X

Laborales Violencia Pobreza Nacimiento X X X

X

X

X X

Edad

Ecuador Salvador Jamaica México Nicaragua Paraguay Perú Trinidad y Tobago

X

X

X X X X X

X X

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X

X

X X X

X X

X X

X

2.2.- Patologías de pie El pie es un conjunto funcional formado por huesos unidos por articulaciones y los cuales son puestos en movimiento por músculos que pueden contraerse o regresar a su estado de reposo debido a los nervios [12]. El pié desempeña una de las tareas más importantes tareas en el cuerpo humano, ya que mantiene en bipedestación al hombre. Es un órgano que se puede considerar un servomecanismo antigravitarorio, todo su funcionamiento y estructura se enfoca en el mantenimiento de la bóveda plantar, ya que su desarrollo normal es esencial para la marcha del individuo [13]. La marcha suele generar fracturas por fatiga en los cuellos de los metatarsianos o calcáneo. Mientras que la carrera afecta más a la tibia y fémur. El callo generado en la fractura es un tejido muy reactivo y rico en proliferación ósea. El esfuerzo se aplica sobre diversos elementos de la zona considerada, en un lado o en ambos es por ello que se pueden generar fractura múltiples. El daño actúa sobre el hueso sano, el cual se agudiza en insuficiencia cálcica o modificación biomecánica del tejido óseo. Las manifestaciones clínicas suelen ser dolor progresivo, como consecuencia de la marcha, es muy notable la presencia de tumefacción y edema en el pie o tobillo. Existen dos tipos de fractura, denominadas debido a la composición del hueso, la primera es la fractura de hueso cortical que afecta a los cuellos de los metatarsianos segundo y tercero (Figura 1). Así como, en las diáfisis de las falanges de los dedos y extremo inferior de la tibia. La segunda es la fractura por fatiga de hueso esponjoso afecta los huesos tarso anterior y posterior, que son la base de metatarsianos y base de falanges. Otra afección que afecta los pies, es la Hallux Valgus. Afecta principalmente a mujeres por lo general con antecedentes familiares de la misma afectación (Figura 1). Los pacientes experimentan dolor, deformidad cosmética y dificultad para encontrar calzado apropiado. El empleo de zapatos amplios con cubierta de cuero suave constituye la medida terapéutica inicial. La cirugía está indicada cuando la deformidad es significativa, en particular si el dedo gordo comienza a ubicarse en pronación y se sitúa por encima del segundo dedo. La cirugía debe adaptarse a cada paciente, las distintas intervenciones ofrecen resultados satisfactorios en aproximadamente el 80% de los casos. Es común la fijación de las osteotomías con tornillos para evitar el enyesado y permitir el retorno temprano de la función [13].

Figura 1.- Pie con Hallux Valgus y pie sano La terapia conservadora consiste en el uso de calzado con suela rígida y elevador de empeine para reducir el roce dorsal de los osteofitos. La conducta quirúrgica en las etapas iniciales consiste en la queilectomía, que comprende la reducción de los osteofitos dorsales y la escisión de parte de la cara dorsal de la cabeza metatársica. Aunque la intervención no revierte los cambios degenerativos, el 80% de los pacientes mantiene los buenos resultados 5 años después. El tratamiento de la entidad avanzada consiste en la artrodesis de la primera articulación metatarsofalángica o, con mayor frecuencia, el reemplazo articular [14]. La Metatarsalgia es un síntoma y no una entidad diagnóstica, cuyo tratamiento inicial consiste en la identificación del motivo del dolor. La Metatarsalgia asociada a callosidades se debe, generalmente, a problemas mecánicos y está asociada a dedos en martillo y artritis reumatoidea. Las verrugas plantares pueden presentarse como callosidades en la planta del pie, aunque se diferencian por la presencia de sangrado en napa o puntos negros cuando se elimina la capa de queratina [15]. El neurinoma de Morton no es un verdadero neurinoma, pero representa la inflamación del nervio. El paciente experimenta dolor intenso localizado que desaparece al descalzarse y masajear el pie. El tratamiento inicial consiste en el empleo de zapatos anchos con plantilla de descanso metatarsal. En determinadas oportunidades la inyección de esteroides es curativa. La cirugía consiste en la escisión del nervio o en su transferencia del aspecto plantar del pie al aspecto dorsal del ligamento intermetatarsal [16]. En otro orden, la enfermedad de Freiberg suele ser más común en adolescentes y generalmente es secundaria al traumatismo repetido en la epífisis durante el desarrollo. Con mayor frecuencia se ven afectados el segundo y tercero metatarsos. La medida terapéutica inicial comprende reposo, antiinflamatorios y empleo de calzados con suela rígida. En ocasiones son necesarios el desbridamiento de la articulación o remoción de los fragmentos sueltos de cartílago [17]. Las fracturas metatarsales de esfuerzo pueden producirse en los trastornos de deficiencia ósea o ser secundarias a fracturas por fatiga debido a carga anormal o poco frecuente. El tratamiento consiste en reposo, analgésicos y eliminación de los factores precipitantes [18].

En cuanto a la insuficiencia del tibial posterior, es la causa más frecuente de pie plano adquirido en el adulto. En las etapas iniciales el paciente presenta dolor detrás del maléolo medial, que empeora con la marcha. En este punto, el sujeto puede pararse en puntas de pie pero experimenta dolor al levantar el talón. El paciente debe utilizar una plantilla adecuada y antinflamatorios. Ante la falta de tratamiento el tendón del músculo puede quedar estirado de manera permanente o romperse. Si esto sucede, el individuo desarrolla pie plano marcado, talón valgus y abducción. El tratamiento con plantillas es insuficiente y la cirugía consiste en la realineación del pie y reparación secundaria del tendón muscular. En las etapas tardías la parte posterior del pie queda fijada en valgus y la única solución es la triple artrodesis; por lo cual el reconocimiento y tratamiento tempranos resultan fundamentales en esta patología [19]. Para la Fascitis Plantar, los factores predisponentes incluyen obesidad, empleo de calzado con acolchado inadecuado y marcha no acostumbrada en superficies duras. La entidad se presenta con dolor matutino debido a la rigidez de la fascia plantar y del tendón de Aquiles. El tratamiento inicial comprende el uso de taloneras acolchadas y ejercicios de estiramiento del tendón de Aquiles. Asimismo, es beneficioso el empleo de tablillas nocturnas que sujetan la fascia plantar en leve dorsiflexión. La inyección de esteroides puede ser útil, sin superar 3 dosis, dado que se corre el riesgo de ruptura de la fascia plantar. El tiempo de recuperación es directamente proporcional a la duración de los síntomas; la cirugía se reserva a quienes luego de 12 meses de terapia conservadora no experimentan mejoría [20]. Dentro de la patología del tendón de Aquiles, la rotura del tendón de Aquiles, es frecuente en los hombres de mediana edad que realizan deportes sin el precalentamiento adecuado. El paciente experimenta dolor intenso de inicio agudo. La ruptura puede sospecharse por la comprobación de una separación en el tendón. La pérdida de continuidad suprime la flexión plantar del pie cuando la pantorrilla es comprimida pasivamente [21]. La tendinitis puede presentarse en la inserción del tendón o unos centímetros más arriba del tendón de Aquiles. Predisponen a la tendinitis de inserción la mecánica anormal del pie y las artropatías inflamatorias. El tratamiento incluye antiinflamatorios y elevación del talón. El otro tipo de tendinitis está asociada con la degeneración del tendón y empeora con el empleo de zapatos de taco alto [22]. La patología artrítica del tobillo presenta menor predisposición a los cambios degenerativos, que responden a los inflamatorios y a tobilleras. La artrodesis es eficaz para aliviar el dolor de estos pacientes (Figura I.16) [23]. El pie diabético corresponde a la gangrena, ulceración y articulaciones de Charcot, las cuales son las razones más frecuentes de internación en diabéticos. La ulceración se debe al incremento de la presión, predispuesta por la formación de callosidades. Los sujetos con neuropatía y callosidades deben eliminar estas últimas y utilizar plantillas adecuadas. Las articulaciones neuropáticas se presentan con dolor, rubor, calor y tumefacción en los primeros estadios, con destrucción ósea posterior. La deformación puede evitarse mediante

la protección de las estructuras que sostienen peso o, en ciertos casos, con la estabilización quirúrgica de la articulación [24]. 2.3.- Rehabilitación La rehabilitación es un proceso global, continuo de duración limitada y con objetivos definidos. Está encaminada a promover y lograr niveles óptimos de independencia física y las habilidades funcionales de las personas con discapacidades. Como también su ajuste psicológico, social, vocacional y económico que le permitan llevar de forma libre e independiente su propia vida. La rehabilitación es un proceso complejo que resulta de la aplicación integrada de muchos procedimientos para lograr que el individuo recupere su estado funcional óptimo, tanto en el hogar como en la comunidad en la medida que lo permita la utilización apropiada de todas sus capacidades residuales [24]. 2.3.1.- Fisioterapia La fisioterapia es una disciplina terapéutica moderna, con raíces lejanas. Se tiene los primero datos en el mundo prehelénico en donde los hombres aplicaban agentes físicos en el fin de adquirir fuerza, destreza y salud. Esto estaba supervisado por el empirismo lo cual tenía una gran relación con la lucha contra espíritus malignos. En la prehistoria existen datos en pinturas rupestres que en algunos pueblos primitivos se utilizaban técnicas con baños y masajes [25]. Herodico de Selimbria desarrolló el primer manuscrito completo de una teoría sobre los beneficios de los ejercicios corporales [26]. Mientras que Hipócrates de Cos contribuyó de forma importante en el desarrollo de las técnicas de fisioterapia, impulso el reconocimiento del valor de los ejercicios para fortalecer músculos dañados [27]. La hidroterapia es una derivación de la fisioterapia en la cual se utiliza la aplicación de agua en cualquiera de sus estados físicos, como tratamientos a algunas patologías fisiológicas [28]. Y se tienen indicios en España durante toda la Edad Media se hicieron prácticas hidrológicas, como reflejan las virtudes terapéuticas de San Isidoro al trabajar con aguas termales. También se mejoraron las termas romanas por la influencia de la cultura árabe en la zona musulmana de nuestra geografía [29]. Durante el Renacimiento, la Hidroterapia sufre un retraso debido a la creencia de que la utilización de los baños facilitaba la transmisión de enfermedades. En España también se realizaron publicaciones acerca del uso de las aguas minerales, destacando a Gutiérrez de Toledo quien publicó normas sobre la utilización de los baños [30]. La primera obra escrita es de Cristóbal Méndez, médico natural de Jaén, publicó en Sevilla el libro titulado Libro del ejercicio y de sus provechos, por el cual cada uno podrá entender qué ejercicio le será necesario para conservar su salud [31]. En el siglo XVII existe una influencia por parte de la mecánica de Galileo y las teorías de Descartes, sobre determinados médicos contemporáneos a ellos. La existencia de estaciones termales o casas de baño quedan circunscritas para los estamentos altos de la sociedad, mientras buscaban una forma de ociosidad más que una resolución de patologías [32]. En España la primera obra de la Hidrología médica moderna Espejo cristalino de las

aguas de España, escrita por Alfonso Limón Montero, catedrático de Alcalá de Henares [33] En Hidroterapia, destacar a Vinzenz Priessnitz, campesino de Silesia, que en 1829 funda en Grafenberg un célebre establecimiento hidroterapéutico, donde elabora un sencillo pero efectivo método terapéutico, gracias a sus dotes de buen observador y popularizando los tratamientos de los doctores Hahn [33]. 2.3.2.- Mecanoterapia La mecanoterapia es el conjunto de técnicas que permiten rehabilitar al paciente que requiere el uso de aparatos mecánicos, se encuentra destinada a dirigir y provocar movimientos corporales regulados en su fuerza, trayectoria y amplitud. Los primeros aparatos de mecanoterapia empezaron a utilizarse en el año 1910 en Suecia y fueron perfeccionados y modificados continuamente. Sin embargo, estos primeros dispositivos cayeron progresivamente en desuso por la complejidad de su instalación y el desembolso económico, que suponía su adquisición [354]. Actualmente los equipos que se utilizan son aparatos sencillos pero funcionales, que permiten resolver la mayoría de los problemas de movilización activa regional o segmental. El interés actual de la mecanoterapia es que el paciente pueda realizar ejercicios con una finalidad curativa. Para ello es necesario un fisioterapeuta que enseñe y supervise al paciente los ejercicios a realizar y su posible evolución en el tiempo. La aplicación de la mecanoterapia se lleva a cabo en la presencia de patologías del sistema nervioso central y periférico; procesos traumatológicos como fracturas, luxaciones es también es usada en lesiones de partes blandas tales como musculo, tendón o ligamentos, en caso de presentar alguna patología ósea y osteoarticulares, malformaciones y en actitudes posturales viciosas, distrofias musculares y síndromes de inmovilización entre otros [35]. En este tipo de terapia el paciente puede realizar activamente ejercicios y movimientos pasivos, los cuales serán estudiados previamente para evitar lesiones, dichos movimientos deben ser simples y los mecanismos no demasiado costosos. Los diferentes medios mecánicos, utilizados para practicar la mecanoterapia deben ser particulares para el tipo de parte anatómica a tratar, lo cual permite visualizar los avances progresivos del paciente [36]. 2.4.- Marcha La marcha puede definirse como una sucesión de pasos, entendiéndose por paso aquellas acciones y movimientos que se producen entre el choque de talón de un pie y el choque de talón del pie contralateral. También se puede definir la marcha como la forma de desplazamiento en posición bípeda propia del ser humano en la que se suceden los apoyos bipodales y los monopodales [37]. Uno de los principales estudiosos de la actividad muscular fue desarrollado Leonardo da Vinci, donde se diferenció los movimientos como la flexión, pronación y supinación.

Asimismo, describe la mecánica del cuerpo en la bipedestación, diferentes tipos de marcha y cambios desde la sedestación y el salto. Mientras que autores como McGraw y Thomas estudiaron el reflejo de marcha automática y de sus observaciones se podría concluir que la marcha es algo innato [38]. Para otros autores, sin embargo, la marcha es un proceso aprendido y no el desarrollo de un reflejo innato. La marcha se adquiriría por imitación y aprendizaje, mediante el sistema de ensayoerror. Cada persona muestra en su desarrollo unas características propias que están determinadas por diversos factores como el entorno o las diferencias existentes en la masa y longitud de los distintos segmentos corporales. La adquisición de la marcha tiene una gran importancia en el desarrollo psicomotor del niño, pues le da autonomía para moverse en el espacio, aumenta su campo de visión y le permite coger y manipular objetos que antes no estaban a su alcance. La marcha se inicia cuando somos pequeños, se dice que desde el vientre materno se tienen los primeros impulsos los cuales en algún momento ayudaran a salir del vientre para posteriormente impulsarse al querer trasladarse. Es durante la infancia que se presenta en gran parte el desarrollo de la marcha (Tabla 2). En la infancia se presenta una marcha irregular debido a que no hay rotación de la pelvis lo que permite el equilibrio, existe una excesiva flexión en la cadera y rodillas y la presión sobre las planta del pie es total [39]. Tabla 2.- Evolución de la marcha del niño Meses de desarrollo Característica 2 primeros meses 7 meses 8 meses 10 meses 11-12 meses 13-15 meses 5-7 años

Marcha automática Reptación o rastreo Se mantiene en pie si se le dan las dos manos Gateo (abdomen muy próximo al suelo) Gateo como un oso Marcha independiente Marcha parecida a la del adulto

Grieve y Gear [40] consideran que el niño tiene una marcha similar a la del adulto entre los 5-6 años y que los cambios más importantes en el patrón de marcha se producen entre los 4-5 años. Estos cambios hacen referencia a la longitud de los ciclos, velocidad de la marcha y duración de la fase de apoyo unilateral. Mientras que Viladot Voegeli [41] concluye que la marcha infantil se asemeja a la del adulto hacia los 7-9 años. Antes de esa edad, el niño está experimentando con su sistema neural y musculoesquelético, hasta conseguir un adecuado control motor, mucho más desarrollado en el hombre que en los animales cuadrúpedos. El niño tiene una marcha insegura y con poco equilibrio y por este motivo la etapa de apoyo monopodal está acortada, ya que es la de menor estabilidad. Esto también ocurre en ancianos o en la marcha con calzado de tacón alto. El período de oscilación se va haciendo

mayor y alrededor de los siete años se asemeja a la duración de este período del ciclo de la marcha en el adulto, pues el niño ha conseguido mejorar su equilibrio tanto en apoyo bipodal como monopodal (Tabla 3) [42]. Tabla 3.- Evolución de la duración del apoyo monopodal Edad Porcentaje de apoyo monopodal 1 año 32% 3.5 años 35% 7 años 38% 20-30 años 40% Para el desarrollo normal de la marcha, por ejemplo, en un estudio se analizó la marcha en 309 niños con edades comprendidas entre 1 y 7 años. Se consideraron que los parámetros que muestran un desarrollo normal de la marcha son [43]: • • • •

El abordaje del suelo mediante el talón. Aparición del movimiento pendular de extremidades superiores o braceo. Flexión de la rodilla durante el apoyo. Separación de los pies durante la marcha.

El desarrollo patológico de la marcha se observa en los niños que presentan parálisis cerebral, ataxia, hemiplejías, miopatías, trastornos sensoriales, malformaciones, etc. En casos de debilidad muscular existe una dificultad para desplazar el cuerpo. Para compensar esta debilidad suelen aumentar los movimientos del tronco. El niño controla mal el paso por pérdida del control del tibial anterior. En la parálisis cerebral se observan trastornos de la marcha por las alteraciones sensoriales, del tono muscular, coordinación, equilibrio y control motor. La marcha es anormal y además se adquiere tardíamente. Aproximadamente un 85% de los niños con diplejia espástica camina hacia los 4 años de edad, con una marcha patológica “en tijeras” con pie en equino y cruzando las rodillas. De estos niños un 20% precisa ayudas técnicas para la deambulación. Los que presentan hemiplejia suelen caminar hacia los tres años y un 66% de los que presentan tetraplejia espástica comienzan a caminar después de los 4 años de edad. Si existen trastornos sensoriales como deficiencias visuales o propioceptivas el niño presenta modificaciones en el paso por alteración de las referencias sensoriales. Los niños con deficiencias visuales suelen iniciar la marcha algo más tardíamente por falta de referencias visuales o por sobreprotección. La falta o disminución de la visión les dificulta el control del paso. Las alteraciones vestibulares y del esquema corporal hacen que el paso sea más lento, que la colocación del pie sea inadecuada y tienen dificultades para controlar el equilibrio al cambiar de apoyo bilateral a apoyo unilateral. Deformidades de las extremidades inferiores también producen alteraciones de la marcha, como por ejemplo el pie equino o el pie zambo. El cuerpo humano al caminar actúa como un sistema físico y

como un organismo biológico es por ello que se puede ver desde el punto de vista de las leyes físicas del movimiento en cuanto a la acción articular. El ciclo de la marcha comienza cuando el pie contacta con el suelo y termina con el siguiente contacto con el suelo del mismo pie. Los dos mayores componentes del ciclo de la marcha son: la fase de apoyo y la fase de balanceo (Figura 2). Una pierna está en fase de apoyo cuando está en contacto con el suelo y está en fase de balanceo cuando no contacta con el suelo [44].

Figura 2.- Ciclo de marcha Existen cinco momentos que son útiles al subdividir la fase de apoyo [45]: • • • • •

Contacto del talón. Apoyo plantar. Apoyo medio. Elevación del talón. Despegue del pie.

La fase de apoyo puede también dividirse en intervalos con los términos de aceptación del [45]: • Peso. • Apoyo medio. • Despegue. El intervalo de aceptación del peso inicia en el contacto del talón y termina con el apoyo plantar. El intervalo de apoyo medio empieza con el apoyo plantar y termina con la elevación del talón al despegue de talón. El despegue se extiende desde la elevación del los dedos. 3.- Objetivos y metas cumplidas

El objetivo de este proyecto es la implementación de diversas prótesis para pie, rodilla y cadera. Simple o múltiple desde el punto de vista integral. Lo cual tiene como derivación un sinfín de aplicaciones de diversos estudios y herramientas en un variado campo de áreas del conocimiento. Las metas alcanzadas hasta el día de hoy se pueden enumerar en las siguientes: • • • • • • • • • •

Prototipo de prótesis de tobillo instrumentada para mediciones de marcha. Prototipo de rodilla-pie instrumentada para persona con amputación para mediciones de marcha y con intercambio de rodilla (dos tipos). Banco de trabajo para prueba de prótesis de rodilla tipo Scorpio II. Implementación de estudio de marcha sobre tomografía de paciente para miembro inferior. Caracterización de hueso para estudios numéricos experimentales para miembro inferior. Análisis numéricos previos sobre miembro inferior. Análisis experimentales previos sobre miembro inferior. Publicación de resultados en diversos eventos científicos nacionales e internacionales. Difusión de resultados en diversas revistas científicas internacionales. Generación de recursos humanos a nivel Licenciatura, Maestría y Doctorado.

4.- Métodos y materiales Para la realización de este proyecto fue necesario iniciar con análisis de la postura. Se puede entender la postura como el punto de la trayectoria de un cuerpo móvil en el que necesariamente empieza y termina cualquier desplazamiento. Feldenkrais indica en su escrito la dificultad de ver lo obvio, que el centro de gravedad del organismo humano está a nivel de la tercera vértebra lumbar, para que la estructura pueda moverse con facilidad si es utilizada de forma dinámica. Otros estudios muestran que el centro de gravedad del cuerpo en bipedestación se halla en el 55% de la estatura del sujeto [46], localizado ligeramente por delante de la segunda vértebra Sacra. Normalmente el Pie almacena una energía potencial que le permite iniciar el proceso de la marcha y así hacer posible el movimiento hacia abajo, hacia la derecha, hacia la izquierda, hacia adelante y hacia atrás, ya que la energía que ha almacenado al ponerse de Pie se transformará en energía cinética. El análisis del calzado es utilizado comúnmente debido a que es un elemento fundamental en el examen de la postura y marcha. Es importante observar la forma, el tamaño y el material del calzado, así como observar el desgaste que sufre éste debido a los movimientos durante la marcha, postura media, postura terminal y prebalanceo, teniendo como referencia que la zona más afectada debe ser a la altura de las cabezas de los metatarsianos, en la punta de la suela y en el talón. A través de este análisis es factible ver una mala distribución del peso en los Pies lo cual provoca [47].

La marcha presenta sus primeros impulsos desde su nacimiento hasta los dos meses de edad del individuo, siendo capaz de sostenerse por lapsos cortos en posición bípeda. La marcha es una actividad rítmica y cíclica que incluye todo el cuerpo, pero teniendo mayor trabajo las extremidades inferiores. Siendo el este ciclo como un periodo en el que se presentan acciones sucesivas, alternas y uniformes, el cual inicia en un evento especifico y culmina cuando se repite dicho evento. También existe un fenómeno llamado periodo de doble soporte la cual se presenta en dos ocasiones durante la marcha, al iniciar y finalizar, que consiste en el contacto de los dos Pies con el piso [48]. La división del ciclo de marcha se puede encontrar como sigue. Las fases del periodo de marcha para balanceo. Las cuales son completamente necesarias para que cada individuo pueda caminar de manera bípeda. Estas fases se dividen en cinco [48]: 1.

Contacto inicial.- Se da esta fase en el instante en el que el Pie se adelanta y hace contacto con el piso, por medio de esta manera la extremidad cierra la cadena cinemática, teniendo de esta manera un soporte fijo para que el cuerpo comience a desplazarse. Siendo el talón la región de impacto.

2.

Respuesta de carga.- Se lleva a cabo en el intervalo en el que el Pie se encuentra totalmente sobre el piso y el peso corporal es soportado solo por esa extremidad. La cual representa un 10% inicial del ciclo.

3.

Soporte medio.- Inicia cuando la extremidad opuesta pierde contacto con el piso y el peso total del cuerpo es transferido a lo largo del Pie de soporte hasta que se alinea la cabeza con los metatarsianos. Siendo este de un 10% a 30%.

4.

Soporte terminal.- Cuando el peso corporal está alineado, el talón pierde contacto con el piso, se desplaza hacia los dedos y pasa al Pie opuesto que comienza a tener contacto con el piso. Dura de un 30% a 50%.

5.

Prebalanceo.- Es una fase de transición en la cual se pasa de un periodo de soporte a un periodo de balanceo. Inicia al momento en el que el Pie colateral entra en contacto con el piso y termina cuando este Pierde completo contacto con el piso.

Tabla 4.- Movimiento de articulaciones durante la marcha Articulación Contacto Respuesta Soporte Soporte inicial a la carga medio terminal Flexión Flexión Flexión Extensión Cadera 30° 30° 10° 10° Neutro Flexión Flexión Neutro Rodilla 0° 15° - 20° 5° 0° Neutro Plantiflexió Dorsiflexión Dorsiflexión Tobillo 0° n 5° - 8° 10° - 12°

Prebalanceo Neutro 0° Flexión 30° - 40° Plantiflexión 20°

Metatarsofalángicas

Neutro 0°

10° - 15° Neutro 0°

Neutro 0°

Extensión inversa Metatarsianos 30°

Extensión inversa Metatarsiano s 60°

Las fases de balanceo se definen como [49]: 1. Balanceo inicial (aceleración).- La cual comienza al abandonar el piso los dedos de los Pies y termina cuando la articulación de la rodilla alcanza la flexión máxima. En esta posición el muslo está ubicado bajo el cuerpo y paralelo a la otra extremidad que en ese instante soporta todo el peso del cuerpo. 2.

Balanceo medio.- Inicia con la flexión máxima de la rodilla y termina cuando la tibia se encuentra en posición perpendicular con el piso. Es decir, se orienta verticalmente. Este dura de un 75% a un 85% del ciclo.

3.

Balanceo terminal (desaceleración).- Este el último paso de la fase, la cual inicia en la posición vertical de la tibia, y su proceso se lleva a cabo mientras la rodilla se extiende completamente y termina en el momento que el talón hace contacto con el piso .

5.- Resultados Las articulaciones del tobillo realizan un movimiento conjuntamente en los tres planos del espacio. Lo que permite que el pie pueda adaptarse a superficies irregulares, tenga balanceo y mantener la posición vertical del cuerpo. La locomoción consiste en una serie de movimientos de los miembros inferiores sobre una superficie plana. Precisamente el ciclo de la marcha consta de un ciclo de oscilación y uno de apoyo. La marcha bípeda es la forma de desplazamiento característica del hombre, que le diferencia del resto de especies animales. Sin embargo, a lo largo de la evolución ha sido necesario que se desarrolle la estructuro ósea y principalmente el pie. Se ha definido el ciclo de marcha como el periodo de tiempo que separa las acciones repetitivas de la locomoción. La marcha depende de apoyos simples y apoyos dobles los cuales son sucesivos para que el cuerpo no pierda contacto con el suelo. El ciclo de marcha comienza con el contacto del pie con el suelo y termina cuando este suceso vuelve a repetirse. Los dos componentes del ciclo de marcha se presentan cuando una pierna está en fase se apoyo y en contacto con el suelo y el segundo cuando se encuentra en balanceo y no tiene contacto con el suelo. La longitud del paso completo es la distancia lineal entre los puntos de contacto del talón del mismo pie. Mientras que la distancia lineal se presenta entre los puntos de contacto entre un pie y otro. La marcha permite la mantención del equilibrio, a través de la proyecciónvertical del centro de gravedad del cuerpo manteniéndose dentro de los límites dados por la base de sustentación. Dicha base de sustentación está determinada por la superficie de apoyo del

cuerpo. Es por ello que si durante el proceso de locomoción, la proyección del cuerpo se desplaza es necesarios mover una pierna para volver a equilibrar. 5.1.- Parámetros de la marcha El movimiento del tobillo depende de la articulación, así como la conjunción de músculos, ligamentos y cartílagos. Dicho movimiento se produce sobre el eje transversal a nivel del maléolo lateral y ligeramente por debajo del maléolo medial. A la articulación del tobillo le es posible realizar dorsiflexión y flexión plantar con una amplitud máxima de 90° en posición normal. Viendo la marcha desde el plano sagital, es posible observare que el movimiento de las articulaciones entre el contacto del talón y el punto de apoyo medio. Tabla 5.- Movimiento del tobillo Momento del contacto del talón La articulación del tobillo esta en posición neutra, es con el suelo decir a 0° Simultáneamente con el contacto La articulación del tobillo empieza a moverse en del talón dirección de la flexión plantar Contacto con el suelo La articulación del tobillo se mueve 15° de la posición neutra a la flexión plantar Fase media La articulación del tobillo pasa rápidamente a aproximadamente 5° de dorsiflexión

15°

5°

90°

Figura 3.- Representación grafica del movimiento de tobillo en la marcha 5.2.- Caso clínico Mujer de 24 años de edad sin patologías, con lesiones traumáticas pasadas pero en total recuperación. Se le tomaron mediciones de sus extremidades inferiores para este caso de estudio. La exploración física se realizó sin dolor articular al movimiento o tacto. Presenta historia clínica con lesión de ligamentos cruzados, anterior y posterior totalmente recuperado. Se le toma una tomografía para la obtención de imágenes óseas y aproximaciones del hueso cortical.

Para trabajar con el pie de la paciente se requiere saber que el individuo tenga un pie con una pisada normal. Es decir, que no presente pie plano o pie cavo ya que en ellos la distribución plantar se da de diferente manera. Se tomó la huella plantar a través de una impresión con tinta y se ha determinado el tipo de pie mediante el método de HernándezCorvo (Figura 4).

Figura 4.- Modelo Hernández-Corvo La impresión de la huella plantar del paciente (Figura 5) demuestra a primera vista que es un pie sin patologías aparente. Posteriormente se evalúa el pie y los resultados son:

Figura 5.- Huella plantar del caso de estudio

En donde se obtuvo que el valor de la anchura del metatarso es x = 8.5 cm. Mientras que el ancho de la impresión relacionada con el arco externo es de y = 4.5 cm. Utilizando el método Hernández-Corvo se tiene que el porcentaje de la relación entre estos dos valores es de 47 %, lo que nos permite concluir que es un pie normal ya que esta dentro del rango de 40% a 54 %, siendo un buen candidato para el estudio. 5.3.- Pruebas de marcha El análisis de la marcha humana es de gran utilidad para una gama de aplicaciones para diagnosticar y elección de tratamientos en pacientes con patologías ortopédicas, neurológicas, esqueléticas o musculares. El objetivo de este tipo de pruebas es la obtención del análisis de movimiento. Sin embargo, es necesario contar con un protocolo estandarizado que permita obtener los parámetros de interés de forma confiable y eficaz. Este protocolo dependerá del tipo de paciente a evaluar debido a los factores cambiantes como son peso, estatura, velocidad y edad. Para este caso de estudio fue necesario realizar pruebas de marcha a una paciente de 24 años de edad con condiciones ya establecidas con anterioridad. Se partió de dos tipos de caso, el primero realizado sobre una superficie plana y solida; el segundo caso se llevo a cabo en una caminadora debido a la facilidad de obtención de imágenes. Las pruebas en los dos casos se llevaron a cabo a través de la obtención de un video (Figura 6) durante la longitud de un paso, para posteriormente cortar el video y encontrar los parámetros máximos durante la marcha, así como, los datos necesarios.

Figura 6.- Obtención de imágenes

5.3.1.- Estudio de marcha Se tomaron 7 muestras de la marcha sobre una superficie plana para encontrar los parámetros máximos durante la locomoción. Para ello se colocaron marcadores en tres partes específicas del pie. Se ocuparon 3 marcadores en las zonas establecidas en la debido a que son zonas de interés. El punto uno indica la parte posterior del pie, es la que indica la parte posterior del pie e influye en el momento de sacar las dimensiones, Mientras que el punto 2 permite localizar y visualizar la posición de la tibia, así como del peroné. Sin embargo, el punto 3 determina la articulación metatarsofalángica que es la transmisora de tracción en la fase final del paso. Se analizaron 4 posiciones estáticas del pie durante la locomoción, sabiendo que el paso comienza cuando el talón hace contacto con el piso, se tomo una posición allí como referencia (Figura 7).

Figura 7.- Posición uno del análisis La segunda posición del estudio es cuando el pie está en contacto completamente con la superficie. Teniendo un ángulo de 90 entre Tibio y línea de acción ósea formada por metatarsianos y falanges (Figura 8).

Figura 8.- Posición dos del análisis Otra le das posiciones importantes que es necesario resaltar se presenta cuando la tibia tiene la máxima flexión durante la marcha. Sucede cuando la planta del pie pasa de estar con completo contacto con el piso y se despega el talón (Figura 9).

Figura 9.- Posición tres del análisis La cuarta posición que se analizó se manifiesta cuando el peso es soportado por la articulación metatarsofalángica ya que es el punto en donde el pie está a punto de perder contacto con el piso (Figura 10).

Figura 10.- Posición cuatro del análisis 5.3.2.- Caso 1 del estudio de marcha La prueba realizada en piso se llevo a cabo en una zona completamente plana. Una vez colocados los marcadores, se tomo el video y se sacaron los parámetros máximos. Se tomaron 7 lecturas de este caso para poder tener con certeza de que no fuera errónea la lectura. Se valoraron 7 muestras de la marcha del caso de estudio. En el cual se encontraron los parámetros máximos de los grados de flexión (Tabla 6) que presenta el pie visto desde una vista lateral. Se trabajo con el pie derecho debido a que en el izquierdo sufrió con anterioridad una lesión. Tabla 6.- Datos obtenidos del estudio Posición No. Caso 1 2 3 1 2.54° 90° 4.43° 2 2.63° 90° 2.89° 3 2.10° 90° 4.43° 4 2.37° 90° 4.43° 5 2.10° 90° 4.43° 6 2.10° 90° 5.44° 7 2.10° 90° 4.43°

4 88.25° 88.39° 88.61° 89.16° 89.16° 88.54° 88.25°

La exploración física de la marcha arrojo los grados de flexión que tiene el pie durante el proceso de locomoción de la paciente tratada. De los 7 parámetros obtenidos se saco el promedio (Tabla 7) para poder determinar la tendencia de la paciente. Tabla 7.- Promedio del estudio de marcha Promedio Posición

1 2.28°

2 90°

3 4.35°

4 88.63°

5.3.3.- Caso 2 del estudio de marcha El segundo caso se realizó sobre una caminadora, ya que con la ayuda de la banda es fácil la obtención de imágenes ya que no existe desplazamiento. Se tomaron 4 videos de este tipo de suceso. Se obtuvieron los datos de la (Tabla 8) de la marcha del caso de estudio sobre una caminadora. En el que se analizó la flexión que logra obtener el pie durante la longitud de paso. Tabla 8.- Parámetros de longitud de paso en flexión Posición No. Caso 1 2 3 4 1 2.89 90° 2.54 88.85 2 3.58 90° 3.92 89.36 3 3.92 90° 5.94 89.36 4 3.92 90° 3.92 88.98 Una vez analizados los resultados de la marcha realizados sobre una caminadora convencional, se promedio para obtener un parámetro medio el cual se encuentra en la (Tabla 9). Tabla 9.- Promedio de pruebas en caminadora Posición Promedio 1 2 3 4 3.57 90 4.08 89.14 Al observar los videos realizados en las pruebas de marcha se observo que en la caminadora se necesito mayor fuerza debido a la fricción que tiene la banda para comenzar a moverse. Es precisamente por esta razón que en los resultados se ve un ángulo mayor de flexión en las pruebas de la caminadora. Es así, como se concluye que los parámetros más reales son los que se realizaron sobre el piso y serán estos últimos los utilizados. Los resultados se utilizaran durante el análisis numérico debido a que son los ángulos máximos que alcanza la paciente durante la marcha y al ser su pie con el que se trabajara es preciso que sea real. Se analizo el comportamiento y evolución de la marcha, de lo cual se obtuvieron imágenes para poder representarlo de manera gráfica. De cada una de las tomas se obtuvieron ángulos de movilidad, así como también la altura máxima que se alcanza en cada punto.

Figura 11.- Locomoción de la paciente La marcha presenta una tendencia sinodal de acuerdo al movimiento del pie durante la marcha, presenta picos de altura máxima en cualquier punto durante el levantamiento del pie. A pesar de que la marcha no es idéntica en cada paso, es posible saber que tiene una tendencia como la que se muestra en la Figura 26. Tendencia de Marcha

0

2

4

6

8

10

12

14

Figura 12.- Tendencia de la marcha III.5.- Simulación numérica del pie Debido a la complejidad del la estructura ósea del pie es necesario acudir al uso de métodos gráficos para su construcción. Esto se logra a través de paqueterías que son amigables para su construcción y versátiles en cuanto al proceso que se requiere. Las tomografías son una herramienta que nos brinda las dimensiones del sistema óseo, en este caso se trabajo con 387 cortes tomográficos para la creación del modelo mecánico.

Posteriormente se importan las tomografías a la paquetería SCAND IP® en la cual se delimita el tejido óseo y se rellena la superficie como un área, dándole propiedad de un sólido, se realiza dicho procedimiento con cada hueso de cada corte. Al terminar el trabajo en cada corte se guarda el modelo (Figura 13) con un formato .IGES para lograr compatibilidad con otros programas de diseño y dibujo

Figura 13.- Pie terminado a partir de tomografías Debido a que el modelado depende completamente de la vista humana y la capacidad de dibujo del elaborador, la superficie del modelo queda muy rugosa. Esto también debido a las propiedades del programa, sin embargo, la geometría es análoga. Es necesario que la superficie sea los más homogénea posible para que pueda ser analizado por la paquetería de método de elemento finito. Es por esta razón que se utilizo una paquetería para suavizar la superficie del modelo VisCAM Mesh® en STL y queda como una maya de puntos (Figura 14). 6.- Conclusiones Los resultados, como lo muestran los productos y sub-productos reportados, son alentadores y pueden vislumbrar que se llegará a cubrir el objetivo general del programa, que es obtener diversas prótesis para miembro inferior desde el punto de vista de abatir costos y personalizar este tipo de implementos prostéticos. Asimismo, dentro del área del Instituto Politécnico Nacional se agruparon una serie de investigadores, que se lograron complementar por sus diversas áreas de estudios. Donde se están utilizando sus fortalezas para la realización del proyecto y se está tratando de implementar herramientas para combatir las debilidades que el grupo y los individuos pueden presentar.

Figura 14.- Modelo suavizado La meta del programa, no es sólo obtener una prótesis, sino una metodología en el diseño y programa de desarrollo en las prótesis para miembro inferior. Así como, poder implementar la personalización de estas. 7.- Referencias 1.- Ley general de las personas con discapacidad, DOF 10-06-2005, Diario Oficial de la Federación, Estados Unidos Mexicanos, 10 de junio de 2005, 2.- Palma-Cortés, M., Economía de la salud mental, Revista El Residente, Vol. V, No. 1, pp 9, 2010. 3.- Ledesma, J. A., La Imagen Social de las Personas con Discapacidad, Segunda edición, Editorial CERMi, Madrid, pp 181-187, 2009. 4.- Miangolarra-Page, J. C., Rehabilitación Clínica Integral: Funcionamiento y Discapacidad, Tercera Edición, Editorial Masson, pp 20-28, 2003. 5.- Carrizosa-Moog, J., Estigma en epilepsia, Revista IATERIA, Vol. 22, No. 3, pp 19, 2009. 6.- Heinz-Ackerknecht, E., Breve Historia de la Psiquiatría, Primera Edición, Editorial EUDEBA, pp 33, 1962. 7.- González-Gutiérrez, M., Las Adecuaciones Curriculares como Estrategia de Atención al Alumno con Discapacidad Intelectual en el C.A.M. No. 22, pp 6, Tesina, 2002. 8.- Van-Doren, C., Breve Historia de Leer, Primera Edición, Editorial Ariel, pp 175, 2009. 10.- Alicia-Amate, E., Armando-Vásquez, J., Discapacidad: lo que Todos Debemos Saber, Publicación Científica No. 616, Washington, DC, Ed. Organización Panamericana de la Salid, pp 13, 2006. 11.- Jenkins-David, Mejoremos la Salud a Todas las Edades: Un Manual para el Cambio de Comportamiento, Editorial Publicación científica y técnica, Washington DC, pp 1314, 2005.

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