Trabajo - Facultad de Ingeniería

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Diseño de un bipedestador ergonómico para
un niño con Parálisis Cerebral distónica
Fernández, Francisco J.; Engelberger Carlos R.; Sassetti, Fernando L.
Ergonomía y Diseño Industrial - Facultad de Ingeniería - Bioingeniería - UNER
[email protected]
Resumen— La Parálisis Cerebral es una patología que
afecta al Sistema Nervioso Central, por daño de una o más
áreas específicas del cerebro inmaduro. La Parálisis Cerebral
Infantil tiene una incidencia del 2 a 2,5 por mil niños nacidos
vivos por año.
Los bipedestadores son dispositivos que permiten
mantenerse de pie a las personas que no pueden hacerlo de
forma autónoma. Su correcto uso permite funcionalizar la
postura, tonificar y elongar sus músculos, ejercitar su sistema
gastrointestinal, urinario, cardiovascular y óseo, aumentar la
capacidad respiratoria y evitar ulceras por compresión en los
tejidos.
Este trabajo tiene como objetivo diseñar un bipedestador
antropométrico y ergonómico para un niño particular
afectado con Parálisis Cerebral distónica, el cuál pasará de la
posición de sedestación a la de bipedestación mediante
sistemas mecánicos y electrónicos. Para este cambio en la
posición de equipo se evaluó la estabilidad del conjunto
mediante cálculos del baricentro en sus dos estados,
garantizando de esta manera seguridad al niño en el
dispositivo.
Las especificaciones en el diseño de la ortesis se basaron en
los datos antropométricos, considerando los valores esperados
en la etapa final de su crecimiento. El diseño se modelo y se
optimizó mediante un software comercial. Para la elección de
los materiales se consideró aspectos relacionados con la
ergonomía y la disponibilidad en el mercado local.
El bipedestador diseñado pesa 22.5 Kg. La elevación del
paciente se logra mediante un mecanismo accionado por un
motor eléctrico. Se logró un diseño antropométrico y
ergonómico, que se adapta a la necesidad del paciente,
garantizando la seguridad del mismo.
El desarrollo de ortesis basados en las características
físicas del paciente permite mejorar la ergonomía en el
diseño y de esta manera aumentar su tiempo de uso.
Palabras clave— Parálisis cerebral infantil, mediciones
antropométricas, diseño ergonómico.
I. INTRODUCCIÓN
La Parálisis Cerebral (PC) es una patología que afecta el
Sistema Nervioso Central (SNC), por daño de una o más
áreas específicas del cerebro inmaduro; generalmente se
presenta durante el desarrollo fetal, pero también puede
producirse justo antes, durante o poco después del
nacimiento, así como en la infancia [1].
La PC distónica es producida por una lesión del sistema
nervioso extrapiramidal, se caracteriza por presentar
alteraciones en los movimientos voluntarios [2].
La Parálisis Cerebral Infantil (PCI) es la incapacidad
física más frecuente en la infancia, la incidencia a nivel
mundial es de 2 a 2,5 por mil niños nacidos vivos por año.
En Argentina la incidencia es de 0,25% de los nacidos
vivos, los que representa 1500 nuevos casos por año [3].
Los doctores Rosenstein
y Chad utilizaron
bipedestadores en sus pacientes diagnosticados con algún
tipo de PC, comprobando que estos aumentaban la
densidad ósea, reduciendo así el riesgo de fracturas [4].
En el contexto de este trabajo, un bipedestador se define
como un dispositivo que permiten mantenerse de pie a las
personas que no puedan hacerlo de forma autónoma. Estos
equipos proporcionan un apoyo en la región pre-tibial
proximal, en el sacro y en la parte anterior del tronco,
permitiendo así mantener al usuario de pie [1].
Actualmente en el mercado se comercializan los
bipedestadores marca Levo, Minos y Colombo; modelos
Compact-Easy (LCEV), EasyStand, Michel y Castor.
Una de las dificultades de estas ortesis es que no cubren
la variabilidad antropométricas de los usuarios, y esto
puede producir incomodidad y molestias hacia el paciente,
incluso puede traer complicaciones extras [5].
Los niños con PC presentan alteración del control
motor, de la alineación músculo-esquelética, del control
postural, tono muscular anormal y fuerza muscular
inapropiada [6].
Los niños con un control motriz deficiente sin una
bipedestación asistida presentan enfermedades óseas,
fracturas frecuentes, contracturas y espasticidad.
La permanencia en una misma posición por tiempos
prolongados, causa disfunciones en el sistema renal,
circulatorio e intestinal, con aumento en la incapacidad
respiratoria. También una sedestación prolongada
comprime los tejidos blandos produciendo ulceras y escaras
[6].
La PC no se puede curar. Pero las secuelas de la persona
afectada
pueden
disminuir
dependiendo
del
aprovechamiento que puede hacerse de la plasticidad
adaptativa, lo cual hace que cuanto más precozmente se
comience a influir las estructuras y conexiones del SNC,
mayores posibilidades de modificar su funcionamiento
tendremos, no solo en el área motora, sino también en la
estimulación de su desarrollo intelectual, del mejor nivel
de comunicación posible y motivación a su relación social.
Es decir cuanto antes se empiece con el tratamiento, mayor
beneficio obtendrá el niño [7].
Basados en esta problemática y como una primera etapa
en el análisis de estas tecnologías, en el presente trabajo se
plantea el diseño específico y modelización de un
bipedestador.
2
II. PROBLEMÁTICA Y MOTIVACIÓN
La motivación de realizar este diseño surge de poder
ayudar a disminuir las secuelas a un niño de 10 años que
padece PC distónica con hipertonía dinámica secuelar a
hipoxia perinatal.
El niño aludido dispone actualmente de un bipedestador
que le permite lograr los estímulos mecánicos necesarios
para aumentar la resistencia de los miembros inferiores. El
equipo que usa actualmente tiene la desventaja de que al
pasar un tiempo prolongado en él, le produce cansancio
muscular en sus piernas y ulceras en la piel. Además
necesita como complemento una silla de ruedas, que le
genera incomodidades en el momento de trasladarse de un
lugar a otro.
III.
MATERIALES Y MÉTODOS
Se realizaron consultas a médicos Fisioterapeutas,
Kinesiólogos, Terapistas ocupacionales y profesionales
encargados de rehabilitación de pacientes sobre sus
experiencias en el uso de dispositivos semejantes y trabajos
en rehabilitación con niños afectados por algún tipo de PC.
Para realizar un diseño adecuado del equipo; que amplíe
o supla funciones que la persona no puede realizar; se
deben tener en cuenta las medidas antropométricas del
futuro
usuario,
evaluarse
las
consideraciones
ergonométricas para lograr que se adapte de la mejor
manera al niño, mejorando su movilidad, confort y
seguridad [8].
Para lograr un asiento antropométrico se midió sobre el
niño el ancho de cadera sentado, distancia sacro-poplítea,
altura poplítea, altura asiento-escápula y altura asientohombro. Para lograr las dimensiones específicas en el
bipedestador se midieron la altura escápula-suelo, altura
codo-suelo y altura hombro-suelo [8]. Además para una
correcta evaluación de la distribución del peso del niño, se
tomaron medidas del perímetro braquial, de los muslos y
las piernas a distintas alturas.
Todas las medidas se realizaron con guía de una
referencia adecuada para este diseño, como así también las
posiciones y posturas para su tomas [8].
Para el asiento se escogió a la madera como material
rígido, recubierto por un polímero de densidad adecuada
con un grosor de 30 mm, y de este modo evitar ulceras por
presión o lastimaduras en los glúteos. El suplemento
acolchonado será antideslizante, no inflamable, fácilmente
lavable y permeable a la transpiración del cuerpo humano
[9]. El borde anterior del asiento será redondeado y
acolchado, para evitar presión en la zona poplítea, lo que
disminuiría la circulación sanguínea hacia las piernas.
Los materiales propuestos en el diseño de la estructura
de soporte son livianos, con buena resistencia mecánica y
se consideró especialmente que presenten bordes suaves.
Los accesorios se pensaron de manera tal que brinden al
niño estabilidad, seguridad, que sean fácilmente
higienizados y que no presenten toxicidad.
Para un adecuado diseño se analizaron las estructuras
del armazón, del mecanismo de levante y su electrónica
asociada:
A. Diseño y análisis estructural
Para el diseño de la estructura se propusieron barras
huecas (tubos) de acero, aluminio y plástico reforzado con
fibra de vidrio (PRFV). Mediante los programas
computacionales RAM Advanse y el AVwin se evaluaron
esfuerzos y deformaciones para estos tres materiales.
Para el análisis de las estructuras por elementos finitos,
se cargaron y optimizaron en los programas antes
nombrados los materiales comercialmente disponibles;
donde se valuó los esfuerzos y deformaciones en distintas
posiciones con simulación del peso del niño y el peso
propio de la estructura, luego por medio de cálculos se
verificó la rigidez de las barras al pandeo y al corte en
todas sus posiciones.
B. Diseño y análisis del mecanismo de levante
Para evaluar el mecanismo de levante se calculó la
potencia y la velocidad angular del conjunto, luego se
estableció a partir de esos parámetros el momento torsor a
trasmitir. Por medio de estos cálculos se seleccionó el
motor que proporcione la potencia y torque necesario para
lograr llevar al niño desde la posición de sedestación a la
bipedestación. En la Fig. 1 se puede observar de forma
esquemática las posiciones extremas del mecanismo de
levante.
Para la selección del motor se tuvieron en cuenta
principalmente estas variables:
1.
Velocidad: se realizaron cálculos empíricos para la
selección de las velocidades del motor, donde se
evaluaron los ángulos y los tiempos transcurridos
en recorrerlos.
2. Torque: para realizar los cálculos que permitieran
una selección adecuada del torque del motor, se
consideraron el momento de inercia, la masa total
y las longitudes de los segmentos de la estructura.
Fig. 1: Posiciones extremas de la estructura de levante del equipo,
a) horizontal (sentado) y b) vertical (parado).
C. Análisis de estabilidad
El análisis de la estabilidad del conjunto niñobipedestador se verificó por el método de segmentos, donde
se calculó de forma empírica el baricentro del niño en
3
posición de sentado y de parado. Para llevar adelante el
método se calculó:
1. el porcentaje del peso total de cada segmento (mi),
2. la localización del centro de gravedad de cada
segmento,
3. la distancia horizontal de cada uno de los centros de
gravedad a una línea vertical (xi),
4. la distancia vertical de cada centro de gravedad a una
línea horizontal (yi) [10].
Para el desarrollo correcto del método se debió colocar
la mayor cantidad de mediciones antropométricas de cada
segmento del cuerpo, para localizar con mayor precisión
las coordenadas de los centro de masas individuales. Esto
permitió determinar el centro de masa de todo el conjunto.
Para un sistema de n segmentos y masa del cuerpo total
M, XCM es la coordenada x del centro de masa e YCM la
coordenada y de ese centro de masa; como se puede ver en
(1) y (2):
XCM = ( ∑i mi xi) / M
(1)
YCM = ( ∑i mi yi) / M
(2)
D. Electrónica de potencia
Para el diseño del mecanismo de levante de la ortesis se
necesita controlar el giro, en ambos sentidos, de un motor
eléctrico de corriente continua. Debido a que este trabaja
con una señal de alta corriente (20 A), se implementó un
circuito de potencia con un relé con la capacidad de
corriente necesaria.
Con el mando tipo On-Off sobre el motor de elevación,
se controlan la activación o no del relé principal. Estos
estados están condicionados por los switch tipo fines de
carrera ubicados estratégicamente en el equipo, para tener
una etapa de seguridad y no forzar al motor
innecesariamente.
En la Fig. 2 se muestra el esquema de conexión del
control del motor y su electrónica asociada.
A través de los programas computacionales RAM
Advanse y el AVwin se evaluaron esfuerzos y
deformaciones en las estructuras del equipo, donde se
optimizaron los materiales para la realización del
dispositivo. Mediante software se pudo comprobar que el
material que más se adaptaba a este diseño en particular es
el acero SAE 1010.
Este diseño hará posible que el niño pase por si solo de
la posición de sedestación a la de bipedestación,
estimulando la mineralización ósea, debido a la presión por
carga de su propio peso. La bipedestación estable del niño
permitirá funcionalizar la postura, tonificar y elongar
músculos, mejorar la circulación periférica, etc. Debe
tenerse en cuenta que el niño este sentado de manera
correcta y sin esfuerzo para evitar cansancio físico, fatiga
muscular, y posturas indeseadas que pudieran derivar en
deformidades secundarias.
El asiento con el equipo en sedestación permite una
inclinación de 3 a 4 grados por debajo de la horizontal,
logrando así mayor comodidad en la posición de sentado y
evitando que el niño se deslice hacia adelante. A la altura
del tórax y muslos del niño, se lo sujetará con unas bandas
de sujeción con cierre de abrojo para evitar el movimiento
en la posición de sentado, como así también cuándo el
dispositivo cambie a posición vertical le brinde estabilidad.
En la Fig. 3 y 4 se muestran (cuadros de salida del
software) los resultados de las pruebas de esfuerzos en la
estructura en posiciones de sedestación y bipedestación
respectivamente.
Fig. 3: Resultado de las pruebas de esfuerzo en el diseño (sedestación).
Fig. 2: Control del motor de levante.
IV.
RESULTADOS
Con el diseño del bipedestador finalizado se realizaron
simulaciones computacionales sobre el conjunto en todo su
recorrido, donde se evaluaron el mecanismo de levante, la
optimización de los materiales y la seguridad del usuario.
4
Fig. 4: Resultado de las pruebas de esfuerzo en el diseño (bipedestación).
A. Peso total del diseño
El peso total del equipo es de 22.5 Kg. El mecanismo de
levante (motor y batería) representan el 22 %. La
estructura mecánica tiene un peso de 15.5 Kg (70 %). En
la Tabla 1 se detallan los componentes y los pesos de todos
los elementos que componen el diseño.
B. Estabilidad del equipo
El baricentro del conjunto está en las coordenadas
(10.84; 42.82; 16) cm cuando está sentado y en (6.76;
56.27; 16) cm cuando está parado.
En la Fig. 5 se observa las secuencias mediante software
donde se evaluó la estabilidad del equipo en todas sus
posiciones.
Fig. 6: Diseño final computarizado en posición de bipedestación.
T ABLA 1
PESO TOTAL DEL DISEÑO
Componente del diseño
Peso [Kg.]
Acero SAE 1010
10.2
Soldaduras
0.9
Motor DC
2.2
Batería
2.6
Ruedas y ejes
4.1
Maderas y tapizado
1.5
Accesorios
1
Peso Total
22.5
Fig. 5: Secuencia del mecanismo de levante del bipedestador diseñado.
Con esto llegamos, al diseño final del dispositivo, el cual
se puede observar en la Fig. 6. El mismo presenta las
siguientes características:
1. Sistema específico con adecuada distribución de
masa.
2. Alimentación autónoma para el mecanismo de
levante (1 batería de 12 VDC recargable).
3. Control de mando tipo pulsador analógico (ubicado
en el apoya brazos) para el mecanismo de levante.
4. Fácil maniobrabilidad.
V.
DISCUSIÓN
Se propone para trabajos futuros realizar un plan de
evaluación clínica que permita efectuar, sobre un prototipo
físico del dispositivo, las pruebas y correcciones necesarias
para garantizar un buen resultado, en forma previa a la
aplicación con paciente. Además a través del prototipo se
puede verificar en software el seguimiento del torque y la
velocidad sobre el mecanismo de levante.
Con los programas computacionales utilizados se puede
realizar una generalización del diseño, con el objetivo de
adaptar el equipo a un rango de niños dependiendo de la
patología que estos presenten.
VI. CONCLUSIONES
El diseño del bipedestador cumple con las
especificaciones de seguridad y fiabilidad propuestas.
En vista a los resultados obtenidos, es posible fabricar
un dispositivo que permita al niño pasar por si solo de la
posición de sentado a la de parado, mejorar sus
movimientos, funcionalizar la postura, tonificar y elongar
los músculos, mejorar la circulación periférica y aumentar
la densidad ósea.
Con el cálculo del baricentro del niño y el análisis de las
distintas posiciones que puede adoptar el conjunto, se logró
un adecuado equilibrio y estabilidad sobre la dupla niñobipedestador.
La elección correcta de los programas computacionales
nos permitió comprobar esfuerzos y deformaciones de la
estructura justificando la elección de los materiales
existentes en el mercado nacional.
Un bipedestador con estas características, puede ser un
dispositivo potente en el campo de la rehabilitación y la
fisioterapia, ya que el mismo puede ser utilizado por
personas afectadas por parálisis cerebral de moderadas a
graves, con trastornos motores y sensoriales, cuadriplejías
y paraplejías medulares, en enfermedades degenerativas
como esclerosis múltiples o atrofias espinales.
5
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la Licenciada en Kinesiología y
Fisioterapia María Inés Courvoisier por brindarnos sus
conocimientos en la temática y colaborar en la toma de
medidas antropométricas del niño.
Se agradece también al paciente y su familia por la
propuesta realizada y brindar toda la información
requerida para mejoras en el diseño.
REFERENCIAS
[1]
Manual de ayudas externas, Servicio de Daño Cerebral. Hospital Aita
Menni. Bilbao 2005.
[2] Muzaber L. y Schapira T. Parálisis cerebral y el concepto Bobath de
neurodesarrollo. Rev. Hospital Materno Infantil Ramón Sardá, vol. 17,
Nº 2. Buenos Aires, 1998.
[3] XXXVII Reunión Anual Nacional de la Federación Argentina de
Sociedades de Obstetricia y Ginecología. FASGO 2002.
[4] Stuberg W. Consideraciones relacionadas con los programas de
bipedestación o standing. Universidad Medical Center de Nebraska.
[5] Alcalde M., Más D. y Ramírez M. Diseño de Producto: Métodos y
Técnicas. Universidad Politécnica de Valencia. 2004.
[6] La fisioterapia en la Parálisis Cerebral. Disponible en:
http://www.monografias.com/trabajos33/paralisis-cerebral/paralisiscerebral.shtml
[7] Fomento del Desarrollo del Niño con Parálisis Cerebral, Guía para los
que trabajan con niños Paralíticos Cerebrales. Asociación Española de
Fisioterapeutas. 1993.
[8] Mondelo P. R., Gregori E. y Barrau P. Ergonomía 1 Fundamentos. 3ª
Edición, 1994.
[9] Panero J. y Zelnik M. Las dimensiones humanas en los espacios
interiores. Estándares Antropométricos. ISBN: 968-387-328-4.
Barcelona 1996.
[10] Cooper J. y Glasgow R. Kinesiología
Argentina: Medica
panamericana. 1973.