Construcción de una prótesis con impresión 3D

Autores:
Miguel de Jesús Santiago Vásquez¹, Armando Jiménez Vásquez¹, Alejandra Velarde Galván², Esther Lugo González¹

Correo electrónico: elugog@mixteco.utm.mx

¹Departamento: Instituto de Electrónica y Mecatrónica.

²Departamento:
Instituto de Diseño.  

Grupo de enfoque (investigación): Robótica asistencial en ambientes médicos

Escuela: Universidad Tecnológica de la Mixteca, Oaxaca, México.

Palabras clave (Hashtags): #Impresión #3D, #prótesis, #diseño, #bajo costo.

Seguramente has escuchado de la impresión 3D y de todas las cosas que puedes tener en tus manos después de dibujarlas en un programa de computadora, las cuales van desde una figura de plástico hasta una parte del cuerpo humano. Debido a la rapidez con que se pueden imprimir las piezas, a esta tecnología se le llama de prototipado rápido y permite tener juguetes, dulces o comida, partes del cuerpo humano, accesorios o piezas diversas, en un tiempo corto (horas o días), los cuales hace algunos unos años eran muy tardados de fabricar, difíciles de hacer o costosos.

Para hacer piezas de plástico, se utilizan materiales conocidos como filamento de PLA, ABS, entre otros, que se eligen con base en la resistencia o facilidad de uso para fabricar las piezas, pero, por ejemplo, para hacer comida u órganos humanos, se necesitan materiales especializados compatibles con el cuerpo humano.

En México esta tecnología ya es accesible y un uso que se ha empezado a dar es para fabricar prótesis, ya sea de miembro inferior o superior, esto como alternativas para resolver la gran problemática que existe por la pérdida de alguna extremidad debido a enfermedades como la diabetes. Según el INEGI [1], en su último censo, reporta que hay aproximadamente 780 mil personas con amputación de pierna en México, donde solo 7 500 tienen una prótesis.

La mayoría de las prótesis realizadas en prototipado rápido son para miembrosuperior (brazos o manos) y se diseñan con base en necesidades como tipo de agarre o actividad del usuario. Para el miembro inferior es diferente, ya que se requieren materiales más resistentes y diseños personalizados que no afecten la forma de caminar, además de soportar el peso del cuerpo cuando se encuentre caminando o solo de pie, la edad del paciente, actividad y condición física, grado de amputación, cuidados que se requieran o tipo de lesión. En estas, la impresión 3D se utiliza para verificar dimensiones, movimientos, pesos de las extremidades o seleccionar colores. Si se quiere prótesis 3D para humanos o para animales, existen páginas como mediprax [2] o cults [3], en donde se pueden descargar modelos prediseñados listos para imprimir, pero estos son muy generales y se tienen que modificar para adaptarlas a cada usuario.

Para un diseño personalizado de prótesis, es necesario seguir una secuencia de actividades como en la Figura 1, iniciando con una entrevista al fisioterapeuta y al paciente para saber que necesita en sus actividades diarias, además de tomar las

medidas del paciente o escanear el miembro que se tenga, esto en programas como Polycam® [4]. Después se proponen mecanismos que sustituyen las articulaciones (rodilla, tobillo y cadera o muñeca, codo y hombro). Con estas ideas se utiliza algúnprograma para dibujar y simular el movimiento de las personas, como ADAMS View [5], para detectar problemas y corregir errores y así crear una primera versión física con impresión 3D, (Figura 2). Esto sirve para que los fisioterapeutas revisen si el diseño es correcto o comprueben si le queda bien al paciente (Figura 3).

Figura. 1 Metodología para impresión 3D de un prototipo.

Fig. 2  a) Tobillo dibujado en un programa CAD b) tobillo impreso en 3D.

Fig. 3 Prótesis impresa en 3D UTM, Oaxaca.

En la Universidad Tecnológica de la Mixteca se han desarrollado manos robóticas con el objetivo de mejorar los movimientos y tipos de agarre [6] y se están haciendo diseños mecatrónicos para prótesis de rodilla y tobillo [7,8], donde lo principal es la movilidad de los pacientes y las condiciones de seguridad mientras caminan o solo están de pie, utilizando herramientas como la inteligencia artificial para simular y hacer pruebas virtuales, así como la impresión 3D, componentes electrónicos y sensores para mostrar a los pacientes las prótesis diseñadas y como se moverán al utilizarlas (Figura 4).

La impresión 3D puede ser muy útil para ayudar a las personas que lo necesitan, y tomando algunos cursos de capacitación, además de la supervisión y orientación de un fisioterapeuta, es posible hacer prótesis que beneficien a los pacientes, ya que pueden ser de bajo costo, accesibles y personalizadas.  

Fig. 4 Prueba de prótesis, UTM, Oaxaca.

Referencias

[1] Instituto Nacional de Estadística y geografía (INEGI). [Online]. Available: https://www.inegi.org.mx/contenidos/saladeprensa/boletines/2023/DR/DR-Ene-jun2022.pdf

[2] Mediprax. “Las exitosas y mejores prótesis impresas en 3D”, Abril 2023 [Online]. Available: https://mediprax.mx/las-exitosas-y-mejoradas-protesis-impresas-en-3d/

[3] Cults. “Prótesis para miembro inferior “Caminando Sin Limites”, Abril 2023 [Online]. Available: https://cults3d.com/es/modelo-3d/artilugios/protesis-para-miembro-inferior-caminando-sin-limites

[4] 3dwithus, Polycam 3D Scanning App Review – LiDAR, Photo Mode, Room Mode. [Online]. Available: https://3dwithus.com/polycam-3d-scanning-app-review-lidar-vs-photo-mode

[5] ADAMS. “The multibody dynamics simulation solution.” 2023 [Online]. Available: https://hexagon.com/products/product-groups/computer-aided-engineering-software/adams?utm_easyredir=www.mscsoftware.com

[6] L. E. Sánchez-Velasco, M. Arias-Montiel, E. Guzmán-Ramírez, E. Lugo-González, “A Low-Cost EMG-Controlled Anthropomorphic Robotic Hand for Power and Precision Grasp”, Biocybernetics and biomedical engineering 40(2020) pp 221–237, [Online]. Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0208521619304693

[7] R. Ambrocio-Delgado, F. Javier Espinosa-Garcia and E. Lugo González, “Development of a semi-active ankle mechanism to generate dorsiflexion/plantar flexion, adduction/abduction, and eversion/inversion movements,” 2022 XXIV Robotics Mexican Congress (COMRob), Mineral de la Reforma/State of Hidalgo, Mexico, 2022, pp. 19-24, doi: 10.1109/COMRob57154.2022.9962310.https://ieeexplore.ieee.org/document/9962310/authors#authors

[8] E. Saynes-Vazquez y E. Lugo González, “Optimizacion de mecanismos planos de 4 y 6 eslabones para el desarrollo de un prototipo de prótesis transfemoral”, Research in Computing Science 151(6), 2022, pp. 47–62, https://www.rcs.cic.ipn.mx/rcs/2022_151_6/

ANEXO

Resumen: El prototipado rápido realizado con impresión 3D, permite tener piezas físicas después de ser creadas a través de un programa computacional. Esta se ha utilizado para crear muchos objetos, incluyendo los del área médica. Uno de sus usos es para construir prótesis de miembro superior e inferior, con el objetivo de dar una solución rápida y a bajo costo a los pacientes.

Declaración de importancia: La funcionalidad, rapidez en el diseño y bajo costo de fabricación de las prótesis puede resolverse con la impresión 3D.

Disciplina principal: Ingeniería y ciencias.

Áreas de aplicación: Ingeniería, medicina, ciencias, mecánica, computación Industria mayormente relacionada: Médica y robótica.