Resumen—El siguiente proyecto de Investigación, Diseño y Desarrollo de prótesis mioeléctrica surge como necesidad de una paciente pediátrica con amputación congénita de su antebrazo izquierdo, por debajo de la articulación del codo.

En este trabajo se implementan modificaciones sobre los distintos bloques constructivos de versiones previas y se determinan las características eléctricas de la prótesis desarrollada.

Para ello la prótesis como dispositivo electromecánico fue divida en sus bloques constitutivos para analizar los requerimientos de cada etapa. Se diseñó y construyó un prototipo mecánico de la prótesis, junto con la electrónica asociada para la adquisición de EMG, lógica de control y manejo del motor.

Habiéndose cumplido satisfactoriamente las etapas previas, actualmente el proyecto se encuentra en la etapa prueba y validación.

Palabras clave— prótesis mioeléctrica, extremidad superior, paciente pediátrica.

I. INTRODUCCIÓN

entro de las malformaciones congénitas de la mano se encuentran las debidas a fallo en la formación de

partes, que producen las llamadas amputaciones congénitas. El caso que motivo el desarrollo de este proyecto corresponde a una paciente pediátrica con un tipo de amputación congénita denominada hemimelia izquierda o sea ausencia de su antebrazo y mano izquierda [1][2][3].

Este tipo de malformaciones no suelen tener indicación quirúrgica, siendo su tratamiento exclusivamente protésico.

Una prótesis mioeléctrica se basa en el concepto que siempre que un músculo se contrae o flexiona se produce una pequeña señal eléctrica (EMG) que es creada por la interacción química en el cuerpo [4]. Esta tensión eléctrica se usa para controlar los componentes mecánicos y eléctricos de la prótesis, permitiendo así un movimiento de apertura o cierre de la garra o elemento efector.

Dentro de las opciones protésicas, las que presentan las mayores ventajas para este tipo de pacientes son las prótesis mioeléctricas ya que: para accionarlas sólo se requiere que el paciente

contraiga sus músculos. es más cómoda de usar puesto que elimina el arnés de

suspensión. proveen una mejora desde el punto de vista estético. Las prótesis mioeléctricas preexistentes poseían una serie

de desventajas dentro de las cuales se pueden mencionar: la necesidad de recarga periódica de la batería y su eventual recambio después de un tiempo limitado y el peso debido a los motores eléctricos necesarios para efectuar el

movimiento de la parte mecánica. Estos inconvenientes han podido solucionarse debido al avance tecnológico de estos últimos años. Es así que debido al alto nivel de integración logrado en los circuitos electrónicos, al uso de componentes “ultra low power”, al desarrollo de biomateriales con características óptimas de peso y resistencia, el empleo de micromotores que reducen el peso de toda la prótesis, hacen de las prótesis mioeléctricas la opción protésica óptima para las amputaciones de miembro superior.

En la actualidad existen numerosas empresas

internacionales que fabrican y comercializan prótesis para miembro superior e inferior, cosméticas y con funcionalidad, accionadas mecánicamente y por electricidad. Se pueden mencionar empresas como Animated Prosthetics, Hosmer, Otto Bock, Pepp, UtahArm y otras [5][6][7][8][9]. Estas prótesis se comercializan de manera que el médico ortopedista realiza la implementación sobre el paciente ubicando los electrodos sobre los músculos efectores y confeccionando la estructura de lo que representaría el antebrazo. En el caso de pacientes pediátricos se realiza un seguimiento de su crecimiento y se implementan prótesis de mayor tamaño a medida que las dimensiones antropomórficas van aumentando.

Durante el desarrollo se consideraron aspectos tales como las características antropométricas del paciente, utilización de materiales biocompatibles y no irritables, la seguridad eléctrica y mecánica del paciente, y características estéticas adecuadas.

II. DESARROLLO

Para el desarrollo del proyecto se dividieron los

elementos constituyentes de la prótesis mioeléctrica según el siguiente criterio

Fig. 1: Diagrama en bloques del sistema.

Desarrollo de una Prótesis Mioeléctrica de Miembro Superior

Martha Alfaro, Luciana Joliat y Sebastián Vicario

Bioparx ACE, malfaro@bioparx.com, ljoliat@bioparx.com y svicario@bioparx.com

na Joliat y Sebastián Vicario

D

Electrodo Acondicionamientoy control

Efector

Electrodos: Para el sensado de la señal EMG se implementó un

electrodo de superficie, del tipo seco es decir en contacto directo con la piel, y en configuración bipolar. Cada uno de ellos tiene las dos superficies de contacto que proveen la señal en forma diferencial y una tercer superficie que constituye la referencia o masa. El electrodo es encapsulado con el circuito de acondicionamiento de la señal y montado directamente en la estructura de la prótesis para hacer contacto con la extremidad remanente.

Fig. 1: Electrodos

Los electrodos tienen superficies rectangulares de

3mmx8mm, con electrodo de referencia en posición central de modo de asegurar un buen contacto con la piel del paciente. La distancia de los electrodos con el de referencia es de 10mm.

Ubicación del electrodo:

Para la localización correcta del electrodo se procedió a realizar un estudio de electromiografía donde se utilizaron electrodos de superficie para explorar las regiones anterior, posterior y laterales del muñón con amputación congénita. El resultado del estudio permitió encontrar dos puntos ubicados en la región anterior y posterior del muñón que dieron trazados intermedios ricos en amplitud. Posteriormente estos registros fueron verificados en el laboratorio de desarrollo usando los electrodos de superficie diseñados para la prótesis, registrando las amplitudes de la señal y comprobando la ausencia de interferencias provenientes del músculo contralateral (crosstalk) [10]. El tejido muscular es anisotropico, por lo tanto la orientación de la superficie de detección del electrodo con respecto a la longitud de la fibra muscular es crítica [11]. Los electrodos se ubicaron sobre el muñón de modo que las superficies de contacto del electrodo quedaran perpendiculares a la dirección longitudinal del músculo remanente. Adquisición de la señal:

La señal de EMG obtenida a través de los electrodos de

superficie se aplica a las entradas de un Amplificador de Instrumentación que se encarga de captar y amplificar las señales provenientes del músculo, las cuales tienen una amplitud comprendida entre 0 y 10mV aproximadamente.

Esta etapa debe diseñarse de modo que distorsione mínimamente la señal, que tenga una impedancia de entrada alta de modo que sea menos sensible a la impedancia de la

interfase electrodo-piel, y que las superficies de detección estén próximas a las entradas del amplificador.

El circuito integrado seleccionado para este fin es producido por la empresa Texas Instruments, debido a la alta calidad de sus productos y a su vasta trayectoria en el rubro.

Es fundamental el diseño de una red activa/pasiva a la entrada de dicho amplificador, capaz de bloquear adecuadamente las componentes de alterna y otras interferencias indeseadas que tienen magnitudes muy importantes con respecto a las débiles señales provenientes del músculo. Para ello se implementa una red pasiva que no afecte la RRMC del amplificador de instrumentación utilizado, con alta impedancia de entrada y buena relación señal/ruido.

La etapa de amplificación implementada tiene las siguientes características:

TABLA 1: ETAPA DE AMPLIFICACIÓN

Parámetro Valor Unidades Impedancia de entrada

>10 MΩ

Corriente de polarización

4 pA

RRMC 106 dB Nivel de ruido 6 uV Ganancia 1000 -

La señal obtenida es luego filtrada para eliminar los

componentes espectrales no deseados. Cabe señalar que las señales mioeléctricas poseen un rango espectral comprendido entre 0 y 500Hz, siendo el rango de mayor energía de 50 a 150Hz [12] [13]. Esto plantea también un cuidadoso diseño del filtro, debido a que la frecuencia de la tensión de red se encuentra en dicho rango.

La etapa siguiente se encarga de obtener una señal que representa la energía de la señal mioeléctrica, en un rango adecuado para luego ser digitalizada.

Placa de control:

El componente principal de este bloque es un microcontrolador de Texas Instruments de 16 bits de ultra bajo consumo, 60 KB de memoria Flash, 2048B de RAM, ADC 12 bits y demás prestaciones acordes a la aplicación. La tarjeta incluye un conector de programación in-circuit para poder efectuar actualizaciones del firmware sin extraer el chip y un sistema de medición de batería y alerta de batería baja (El microcontrolador podría avisar al usuario mediante una alerta vibratoria, lumínica o sonora, que las baterías están acercándose a su límite de descarga con una antelación programable). El conexionado de esta placa es del tipo Card Edge con contactos bañados en oro, lo que permite su fácil extracción y reemplazo en caso de averías.

Todos los componentes utilizados tienen la capacidad de entrar en un modo de ultra bajo consumo en ausencia de señal mioeléctrica, lo que aumenta en gran medida la autonomía de la prótesis.

Las baterías seleccionadas para brindar energía al circuito constituyen la más avanzada tecnología en celdas

de almacenamiento (Litio-Polímero), brindando una mayor capacidad con un peso y volumen reducido.

Se desarrolló también un cargador inteligente para este tipo de baterías, que cuenta con indicación lumínica de finalización de carga y advertencia en caso de daños en las celdas.

El micromotor encargado de efectuar el movimiento, es gobernado mediante un chip recientemente introducido al mercado. Permite programar una fuerza prensil máxima acorde a los requerimientos del paciente.

La velocidad puede también programarse fácilmente mediante una actualización del firmware.

Fig. 3: Placa de control.

Pinza: Con respecto al diseño de la mano mecánica, inicialmente

se tomaron medidas de talla y peso de la paciente para encontrar su posición en las curvas de crecimiento y determinar su percentil. Habiendo determinado su percentil 50, se emplearon tablas de pesos y medidas de los segmentos del cuerpo para dimensionar las partes constitutivas de la mano (longitud de los dedos y apertura, perímetro de la muñeca, longitud y espesor del carpo, pesos de la mano y el antebrazo, etc.).

Paralelamente se trabajó en el diseño del mecanismo que traduciría el giro del motor en el gesto de apertura o cierre de los dedos. Se montó una cadena de engranajes solidarios a una corona y tornillo sin fin (en el extremo del motor) y a un arco dentado (en el extremo de los dedos índice y medio), mientras que un pivote articulado realiza el movimiento opuesto (en el dedo pulgar).

Con todos estos esquemas y croquis se realizó un modelo virtual en el que se pudo estudiar la vinculación de las partes, las dimensiones aparentes, la ubicación del mecanismo de transmisión, e incluso una estimación del peso final del sistema.

El paso posterior fue fabricar el primer prototipo en escala utilizando elementos de rápida obtención y maquinado. Los materiales utilizados fueron fibra de carbono para los dedos, duraluminio (una aleación más resistente que el aluminio convencional) para el chasis y los engranajes fueron realizados en acero.

Este modelo nos permitió evaluar el sistema en su conjunto, constatar los cálculos relativos a fuerza (o torque realizado), velocidad de apertura y cierre de los dedos, el peso total del sistema, el ruido generado por el mecanismo durante la marcha, etc.

Fig. 4: Pinza

Guante cosmético: El guante cosmético que cubre la prótesis se fabricó en una ortopedia de la ciudad de Buenos Aires. El mismo se diseñó adaptándolo a las necesidades de la paciente. Se fabricaron dos guantes, uno que cubre la parte mecánica de la prótesis y otro que va por encima del anterior que cubre y protege la prótesis en su totalidad.

Fig. 5: Guante que cubre la pinza

Fig.6: Guante cosmético

III. RESULTADOS

El circuito electrónico diseñado es capaz de recoger la señal mioeléctrica en la extremidad remanente de la paciente pediátrica con amputación congénita. Se logro un

dispositivo con muy buenas prestaciones que se resumen en el siguiente cuadro.

TABLA 2: CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS Consumo en reposo 3 mA Consumo en funcionamiento

30 mA

Autonomía de la batería (*)

4,4 días

Tiempo máximo de excursión 2,00 seg

Tiempo de carga 75 min (*) Suponiendo 2000 ciclos de apertura y cierre por día. Respecto de versiones anteriores [14] se incorporó un indicador de recarga de batería, se aumentó la autonomía, se redujo el consumo y dimensiones finales de la placa de control., se modificó la configuración geométrica de los electrodos de modo de lograr mayor estabilidad, y se mejoró la adquisición de la señal. En lo que respecta a la mecánica se impusieron criterios de funcionalidad y estética. Se buscó que tuviera un aspecto lo más parecido posible a una mano en gesto prensil. Se definieron las dimensiones considerando medidas antropométricas según tablas y directamente sobre la paciente. Se aplicaron criterios con respecto al peso. Se hizo una cuidadosa selección de materiales, buscando siempre una relación óptima entre peso y resistencia mecánica, de forma que el peso final de la prótesis no superara al peso del segmento mano-antebrazo remanente. Los resultados, en imágenes, se muestran en las figuras que siguen.

Fig. 7: Prototipo.

Fig. 8: Modelo final.

CONCLUSIONES

En esta instancia del proyecto la gran mayoría de los objetivos propuestos han sido cumplidos satisfactoriamente. Los resultados obtenidos, como salidas del proceso de diseño y desarrollo son aceptables y promisorios en vista de la implementación definitiva.

Actualmente se están realizando pruebas de funcionamiento sobre la paciente, a manera de entrenamiento y familiarización en el uso de la prótesis. Para tal fin se está trabajando con Terapistas ocupacionales y médicos fisiatras especializados en rehabilitación.

REFERENCIAS

[1] Swanson, AB: A clasification for congenital limb malformations. J.Hand Surg. (Am) 1:8-22, 1976

[2] http://www.secpre.org/ [3] www.hands2007.com [4] www.armdynamics.com [5] www.animatedprosthetics.com/ [6] www.hosmer.com [7] www.ottobock.com [8] http://www.myoelectric-prosthetic-fitting-and-funding-for-

children.com/ [9] www.utaharm.com [10] S. Day, Important Factors in Surface EMG Measurement, Bortec

Biomedical Ltd, Calgary AB, 2005 [11] Carlo De Luca ,Èlectromyography, Encyclopedia of Medical

Devices and Instrumentation (John G. Wester, ED.) John Wiley Publisher, 98-109,2006

[12] D. Groh, Electromyography (EMG) Instrumentation, University of Nevada, Las Vegas, 2005.

[13] E. Selkurt, Fisiología, 5ta Edición, BsAs, Editorial El Ateneo, 1984 [14] Leonardo Galiano, Esteban Montaner, Milner Flecha, Proyecto de

investigacion diseño y desarrollo. Prótesis mioelectrica de miembro superior.2006