Asesor Direct o r: Msc. Pietro Scaglioni Asesor Interno: Msc. Gabriel Monge
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DISEÑO DE UN MECANISMO ESTÁNDAR DE ALINEACIÓN EN DOS DIMENSIONES PARA PRÓTESIS SUPRACONDÍLEAS PARA HOMBRES ADULTOS
Asesor Director: Msc. Pietro ScaglioniAsesor Interno: Msc. Gabriel Monge
Asesor Externo: Msc. Axel RetanaAsesor Externo: CPO. Dino Cozarelli
Alejandro Acuña EspinozaSusy Cruz SotoJosé P. Solórzano Rojas Meir Vainer Lechtman
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OBJETIVO GENERAL•Diseñar un mecanismo de alineación que
se acople a las prótesis supracondíleas disponibles actualmente en el mercado latinoamericano permitiendo a sus usuarios alinearlas en dos dimensiones de forma sencilla e inmediata.
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OBJETIVOS ESPECÍFICOS•Determinar las variables de marcha
fundamentales de los usuarios de las prótesis.
•Elaborar un modelo matemático simplificado para el cálculo indirecto de las fuerzas internas en la prótesis durante la marcha.
•Aplicar los criterios de falla por esfuerzos estructurales al mecanismo de alineación.
•Simular el funcionamiento del mecanismo en condiciones de operación convencionales.
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Fuente: Autores
DETALLES DEL PROYECTO
• Justificación• Alcance• Importancia
alineación• Procedimiento de
alineación
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METODOLOGÍA DE LAS PRUEBAS
Plataforma de reaccionesBioWare
Cámaras de videoMax TRAQ
6 sujetos masculinos
6 repeticiones por sujeto
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FUERZAS EXTERNASVector de fuerza verticalVector de fuerza horizontal ‘x’
Vector de fuerza horizontal ‘y’
Fricción resultante ‘x’Fricción resultante ‘y’
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METODOLOGÍA DE LAS PRUEBAS•Resultados obtenidos de la plataforma
Fuente: Autores
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ÁNGULOS
Fuente: Autores
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METODOLOGÍA DE LAS PRUEBAS•Resultados obtenidos de los videos
Fuente: Autores
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ANÁLISIS DE DATOS
Se tienen 6 valores por
cada variable(6
repeticiones)
Buscar curva de mejor
ajusteJMP8
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ANÁLISIS DE DATOS•Variables→7 ángulos y 6 fuerzas externas
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Fuer
za Z
(N)
-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Porcentaje de paso
50
55
60
65
70
75
80
85
Angu
lo (°
)
0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05
Porcentaje de paso
Fuente: AutoresFuente: Autores
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RESULTADOS CINÉTICOS
→ La componente en el plano vertical representa cerca de 120% del PC
→ La componente horizontal y representa cerca de 20% del PC
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→ La componente horizontal x representa cerca de 5% del PC
Objetivo de los datos obtenidos en las pruebas:Realizar un modelo matemático que describa el
comportamiento de las fuerzas internas en la prótesis; a partir del cual se determinarán las fuerzas críticas que
inciden sobre el mecanismo.
RESULTADOS CINÉTICOS
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ANÁLISIS DE MOVIMIENTOExtremidad inferior Prótesis supracondílea
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FUERZAS EXTERNAS FQ
Qsensen
QsensenDDCP
FZQ 2
11..65
Qsen
QsensenDDCP
FxQ 2
cos11..
65
cos.. senCPFYQ
Fuente: Autores
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FUERZAS EXTERNAS-FRSDIAGRAMAS SIMPLIFICADOS
Fuente: AutoresFuente: Autores
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Entrada•Plano sagital1 ec. sist. Rotac.2 ec. sist. Traslac.• Plano frontal1 ec. sist. Rot.1 ec. sist. Traslac.• Sist. de 1 eslabón • 1 CM•Fricción, sentido medial-lateral y anterior-posterior
FUERZAS EXTERNAS-FRS DIAGRAMAS SIMPLIFICADOS
Fuente: Autores
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SalidaPlano sagital
3 ec. sist. Rotacional
6 ec sist. Traslacional
Sist. 3 eslabones, 3 CM
Plano coronal: 2 ec. sist. Rot. 2 ec. sist.
Traslac. Sist. 2 eslabones
, 2 CM Fricción, sentido
medial-lateral y anterior-posterior
FUERZAS EXTERNAS-FRSDIAGRAMAS SIMPLIFICADOS
Fuente: Autores
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Método Analítico•18 ec. dif. por sujeto de 2do orden•6 sujetos analizados•1 sujeto descartado
)(tFxkxbxm ext
)(tFkbI ext
)(2 sFksbsmsX ext
ksbsm
sFsX ext
2
ksbsmsFsX
2
1
m
sXsmm
sXksXsbsF
2
FUERZAS EXTERNAS-FRSDIAGRAMAS SIMPLIFICADOS
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RESULTADOS CINETICOS-FUERZAS INTERNAS
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FUERZAS PARA LA SIMULACIÓN•Fuerzas internas críticas
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ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
Fuente: AutoresFuente: Autores
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ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
Fuente: AutoresFuente: Autores
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TornilloAcople
Tapa
Anillo Superior
Rótula
Anillo Inferior
Hule
Base
Anillo de Presión
ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
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ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
1
Fuente: Autores
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ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMOTornillo
AcopleTapa
Anillo Superior
Rótula
Anillo Inferior
Hule
Base
Anillo de Presión
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ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO2
Fuente: Autores
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ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMOTornillo
Acople
TapaAnillo Superior
Rótula
Anillo Inferior
Hule
Base
Anillo de Presión
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ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO3
Fuente: Autores
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ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
Tornillo
Acople
Tapa
Anillo SuperiorRótula
Anillo Inferior
Hule
Base
Anillo de Presión
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ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
4
Fuente: Autores
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ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMOTornillo
Acople
Tapa
Anillo Superior
RótulaAnillo Inferior
Hule
Base
Anillo de Presión
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ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
5
Fuente: Autores
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ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMOTornillo
Acople
Tapa
Anillo Superior
Rótula
Anillo InferiorHule
Base
Anillo de Presión
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ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
6
Fuente: Autores
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ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMOTornillo
Acople
Tapa
Anillo Superior
Rótula
Anillo Inferior
HuleBase
Anillo de Presión
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ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
7
Fuente: Autores
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ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMOTornillo
Acople
Tapa
Anillo Superior
Rótula
Anillo Inferior
Hule
BaseAnillo de Presión
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ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
8
Fuente: Autores
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ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMOTornillo
Acople
Tapa
Anillo Superior
Rótula
Anillo Inferior
Hule
Base
Anillo de Presión
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ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
9
Fuente: Autores
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CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES
Ubicación
Dimensiones Generales
Material
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UBICACIÓN
•Se coloca el mecanismo de alineación debajo de la rodilla mecánica en una prótesis supracondílea
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CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES
Ubicación
Dimensiones Generales
Material
![Page 45: Asesor Direct o r: Msc. Pietro Scaglioni Asesor Interno: Msc. Gabriel Monge](https://reader036.fdocumento.com/reader036/viewer/2022062410/56816567550346895dd7f1a3/html5/thumbnails/45.jpg)
DIMENSIONES GENERALES•Diámetro interno de la base: 30 mm
• Longitud total: 63,5 mm - 64,0 mm
• Masa: 123 g - 143 g
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CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES
Ubicación
Dimensiones Generales
Material
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MATERIAL• Aluminio 2024-T6• Relación de Poisson: 0,33• Módulo de Elasticidad 72,4
GPa• Esfuerzo de fluencia: 345
MPa• Esfuerzo de fatiga: 124 MPa
para 5 x 108 ciclos• Esfuerzo último: 427 MPa
Fuente: Materials Group, University of Cambridge
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CARACTERÍSTICAS FUNCIONALES
Movimiento de la rótula
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INCLINACIÓN Y ROTACIÓN
Fuente: Autores
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ANÁLISIS DE FALLA
Modelo virtual
Esfuerzos de Von Mises
Falla por fatiga: Soderberg
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MODELO VIRTUALSimplificaciones
Propiedades de los materiales
Condiciones de frontera
Interacciones
Pasos
Condiciones de carga
Densidad de enmallado
Fuente: Autores
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ANÁLISIS DE FALLA
Modelo virtual
Esfuerzos de Von Mises
Falla por fatiga: Soderberg
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ESFUERZOS DE VON MISES • Mecanismo
expuesto a esfuerzos máximos de hasta 116 Mpa
• ángulo máximo de 10º
• Para el análisis del mecanismo se utilizaron los valores de fuerzas máximos reportados en el análisis cinemático de los sujetos
DeformaciónAcople 1 Acople 2
Caso 1 15,9% 15,9%Caso 2 16,0% 16,0%Caso 3 16,1% 16,1%Caso 4 16,1% 15,9%
Fuente: Autores
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ESFUERZOS DE VON MISES
Fuente: AutoresFuente: Autores
Acople 1 Acople 2
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ANÁLISIS DE FALLA
Modelo virtual
Esfuerzos de Von Mises
Falla por fatiga: Soderberg
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TEORÍA DE FALLAS DE SODERBERG• Factor de seguridad de 1,6
Fuente: Monge, G. 2009
0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500
20
40
60
80
100
120
140
Soderberg
Goodman
Gerber
ASME
Bagci
Diseño
Esfuerzos medios (MPa)
Esfu
erzo
s al
tern
ante
s (M
Pa)
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ANÁLISIS DE RESULTADOSValores experimentales:•Tobillo: Fmaxz= 2,41 P.C. •Rodilla:Fmaxy=2,1 P.C. •Rodilla: Fmaxz= 0,55 P.C.
Valores teóricos:•Tobillo: fuerzas de compresión de hasta 4 P.C•Rodilla: fuerzas de compresión de hasta
3,3-7,8 P.C.
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ANÁLISIS DE RESULTADOS•Tobillo: Fuerzas compresivas 1,6 P.C. que
en la prótesis.•Rodilla: Fuerzas de 1,2 P.C. veces
superiores a la fuerza antero-posterior máxima encontrada en la rodilla.
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ANÁLISIS DE RESULTADOS•.
Adaptación Longitud del muñón
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ANÁLISIS DE RESULTADOS•Fuerza vertical y Fuerza horizontal
anterior-posterior son menores a su valor teórico.
Pasos cortos Ausencia de grupos musculares
•Fuerza horizontal media-lateral es mayor a su valor teórico.
Mayor ángulo de inclinación del fémur
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ANÁLISIS DE RESULTADOS• Relación entre fuerzas externas y peso
corporal diferente a valores teóricos• Las personas que utilizan prótesis no
caminan de la misma manera que las personas que tienen ambas piernas biológicas:
Tiempo de adaptación La longitud del muñón Ajuste entre el socket y
el linerFuente: Autores
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ANÁLISIS DE RESULTADOS•Comportamiento de las fuerzas de
reacción con la superficie.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Fuer
za Z
(N)
-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Porcentaje de paso-100
-50
0
50
Fuer
za Y
(N)
-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Porcentaje de pasoFuente: Autores
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ANÁLISIS DE RESULTADOS•Esfuerzo máximo
de 116 Mpa.•Ángulo permisible
de 10°
Fuente: Autores
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ANÁLISIS DE RESULTADOS•Vida útil de aproximadamente 17 años •Los valores más altos de esfuerzo se
presentan en el cuello
•Competitividad en el mercado: Versatilidad de movimiento. Tamaño (63,5 mm - 64,0 mm) Masa (123 g - 143 g)
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Mecanismo Masa (g) Material ReferenciaAdaptador de tubo 90 Aluminio (TIMed,2010)
Adaptador con núcleo 63 Aluminio (TIMed,2010)
Adaptador para laminación 60 Aluminio (Ortoibérica,2009)
Adaptador para pie SACH 53 Aluminio (Ortoibérica,2009)
Adaptador doble 79 Aluminio (Ortoibérica,2009)Adaptador hembra con
rotación 40 Aluminio (Ortoibérica,2009)
Adaptador hembra con rosca 38 Acero Inoxidable (Össur, 2009)
ANÁLISIS DE RESULTADOSCaracterísticas de mecanismos de alineación
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CONCLUSIONES•El diseño del mecanismo permitirá que
este se pueda adaptar a las prótesis supracondíleas y alinearlas de manera sencilla e inmediata.
•Los rangos angulares medidos durante las pruebas para los diferentes planos de movimiento de la prótesis, difieren de los valores reportados para piernas biológicas.
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CONCLUSIONES•Las fuerzas internas que se generan
durante la marcha en la prótesis, son menores que las fuerzas internas que se generan en la pierna biológica.
•Los mayores esfuerzos que se generan en el mecanismo se presentan durante el movimiento de salida del ciclo de paso.
•El diseño del mecanismo es satisfactorio.
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RECOMENDACIONES• Aumentar el número de sujetos en las pruebas.
• Restringir aún más la muestra mediante características como rango de longitudes del muñón y tipo de pie protésico.
• Utilizar mayor número de plataformas de fuerza.
• Disponer de un área de pruebas mayor tamaño.
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RECOMENDACIONES•Utilizar cámaras de alta velocidad.
•Obtener los momentos de inercia particulares de cada sección.
•Incrementar el conocimiento acerca de la marcha en población latinoamericana.
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¡MUCHAS GRACIAS!
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AGRADECIMIENTOS•M.Sc. Pietro Scaglioni•M.Sc. Juan G. Monge •CPO. Dino Cozarelli•M.Sc. Axel Retana•Dra. Claudia Espinoza •Ing. Raziel F.
Sanabria•José Moncada, PhD•M.Sc. Guido Quesada
•Ing. Verónica Córdoba •Ing. José D. Cordero•Ing. José E. Angulo•Sr. Oscar Flores•Srta. Heidy Saavedra•Sr. Eric Ramírez•Sr. Alex Rodríguez