¡Descarga Tr definitivo y más Tesis de Bachillerato en PDF de Biología solo en Docsity!
Índex
- Introducció.....................................................................................................................................
- 1Què és la Bioenginyeria?..............................................................................................................
- 1.1 Breu Història de la Bioenginyeria.......................................................................................
- 1.2 Situació actual de la Bioenginyeria i perspectives de futur.................................................
- 2 Les Pròtesis................................................................................................................................
- 2.1 Classificació de les pròtesis:................................................................................................
- 2.1.1 Segons la seva localització:...........................................................................................
- 2.1.2 Segons la seva font de mobilitat:...................................................................................
- 2.2 Història de les pròtesis.........................................................................................................
- 3 Estructura i funcionament del sistema muscular i nerviós..........................................................
- 3.1 Definició i estructura............................................................................................................
- 3.1.1 Sistema muscular...............................................................................................................
- 3.1.2 Sistema nerviós.................................................................................................................
- 3.2 Funcionament (EMG)........................................................................................................
- 3.3 Aplicacions del senyal EMG..............................................................................................
- Aplicacions mèdiques...............................................................................................................
- Aplicacions de control..............................................................................................................
- 4 Materials amb els que es produeixen les pròtesis mioelèctriques.............................................
- 5 Comparació pròtesis mioeléctrica amb pròtesis mecànica........................................................
- 6 Avantatges i inconvenients de l’ús de les pròtesis mioelèctriques............................................
- 7 Muntatge d’una pròtesis mecànica : Cyborg Beast...................................................................
- 8 Conclusió...................................................................................................................................
- 9 Bibliografia................................................................................................................................
- Anexos..........................................................................................................................................
Introducció
Aquest Treball de Recerca té com a fi estudiar la història de les pròtesis i observar la seva disposició i assequibilitat per a la població d’avui en dia.
Durant aquest treball es tractarà diversos camps, tals com enginyeria, biologia , economia, psicologia, etc , per tal de observar aquest projecte des de diverses perspectives.
El disseny de pròtesis, és una de les diverses tasques que duen a terme els enginyers biomèdics, encarregats també de feines com l’elaboració de equips mèdics, dispositius de control per a hospitals, s’encarreguen d’investigació de nous materials aplicats a medicina...
Primer de tot caldria definir una pròtesis com una extensió artificial que reemplaça o proveeix una part del cos que falta per diverses raons. Concretament les mioelèctriques funcionen gràcies als impulsos nerviosos del nostre organisme, i permeten cert punt de mobilitat que les pròtesis mecàniques mai aconseguirien per la seva simplicitat. Es necessiten grans inversions i molts anys d’investigació per tal d’avançar en aquest camp degut a la seva complexitat i a que no hi ha una gran demanda. És a dir, només està destinat per a persones que han patit alguna lesió o algun accident que els impedeix la utilització dels seus membres i/o òrgans , o directament careixen d’aquests. Sembla un mercat molt reduït però la veritat és que hi ha un munt de persones que han patit accidents, i que han quedat invàlids, paraplègics i que amb l’ajuda de pròtesis podrien tornar en gran part a la seva vida quotidiana.
Actualment hi ha grans progressos, però el gran cost de la seva producció, l’adaptació per a cada individu, les grans barreres legislatives a les quals estan sotmeses aquests productes alenteix la seva arribada a la població.
Per tal de estudiar les pròtesis , es farà una revisió de la seva història , els tipus, el seu funcionament , les seves parts, el mercat al qual està destinat... I es pretendrà esbrinar si algun dia aquestes, seran assequibles a aquella part de la població que no disposa de grans recursos.
funcionament dels organismes vius tant a nivell molecular, cel·lular i d'aparells i sistemes del cos humà. Això li permet el desenvolupament de materials aptes per reemplaçaments d'òrgans danyats o implants.
1.1 Breu Història de la Bioenginyeria.......................................................................................
Des de temps antics, l’esser humà ha aplicat tècniques de enginyeria bàsiques al camp de la biologia i la medicina, però no va ser fins després de la 2a Guerra Mundial, que va néixer aquesta ciència com a tal, gracies al desenvolupament d’instrumentació elèctrica i electrònica d’aquesta època i a la necessitat de trobar una solució a la pèrdua dels membres dels soldats que havien sobreviscut a la batalla. A Gran Bretanya, va haver-hi sobretot un gran augment de bioenginyers, degut a que els físics, matemàtics i químics es trobaven immersos en feines armamentistiques, deixant així als biòlegs la tasca de la investigació. Per tant a la postguerra, va resultar que un gran nombre de biòlegs tenien gran coneixement de electrònica i enginyeria , que van aplicar als seus camps de treball efectivament, formant així la Federació Internacional d’Electrònica Mèdica que al 1965 va passar a anomenar-se, Federació Internacional d'Enginyeria Mèdica i Biològica
1.2 Situació actual de la Bioenginyeria i perspectives de futur.................................................
La creixent complexitat dels instruments, dels mètodes de mesura i fins i tot de la interpretació de les dades obtingudes, fa que els hospitals necessiten dels bioenginyers, sovint jugant papers complementaris als del metge en els equips clínics. De fet es pot considerar un ofici que durant els pròxims anys tindrà una gran expansió , degut a la creixent demanda sanitaria i la descoberta de nous materials, es a dir té una àmplia perspectiva tant en innovadors avenços tecnològics per al desenvolupament de nous materials sintètics, com en la microelectrònica i la bioinformàtica que facilitessin la producció de bioxips (Bionanotecnologia), d'òrgans artificials i pròtesis artificials on es combinin dissenys de l'avançada enginyeria amb recursos biològics
2 Les Pròtesis
En medicina, una pròtesi, és un dispositiu artificial que reemplaça una part del cos que falta, que pot perdre per un trauma, malaltia o malalties congènites. Aquestes són dissenyades segons les necessitats i aparences del pacient, per tant son personals i intransferibles, això implica una clara desventatja ja que redueix molt la velocitat de creació a gran escala de les pròtesis, i fa augmentar el seu preu.
2.1 Classificació de les pròtesis:................................................................................................
2.1.1 Segons la seva localització:
1 Bucals:
1.1 Obtura trius: Aquestes pròtesis són dissenyades per reemplaçar al maxil·lar superior en cas que el maxil·lar aquest defectuós o malmès.
1.2 Mandibulars: és la substitució de la substància òssia, pertanyent al maxil·lar inferior.
1.3 Vel faríngies: aquest serveix per obturar la pèrdua de teixits pertanyents al paladar.
2 Facials:
2.1 Orbitàries: aquest cas dóna quan hi ha exèresi pertanyent a l'apèndix nasal.
2.2 Auriculars: s'ho pot anomenar un reemplaçament quan està malament el pavelló de l'orella.
2.3 Facials Extenses: aquest cas és quan hi ha més d'una lesió facial
3 Somàtiques:
Són les més conegudes i comunes, abarquen totes aquelles pròtesis del cos excepte les de la cara, tals com mans , cames , peus, dits, mamelles.
Pròtesis d’extremitat superior(segons el nivell d’amputació):
- Desarticulació d'espatlla
- Transhumeral
- Colze de desarticulació
- Radial
- Desarticulació de canell
- Mà completa
- Parcial de la mà
- Dit
amb la que es mogui ja que està dissenyada per realitzar moviments de tensió per a la funcionalitat.
Mioelèctriques:
Són pròtesis controlades per mitjà impulsos nerviosos, en si són pròtesis armades elèctricament que en l'actualitat són utilitzats com a membres artificials, ja que compleixen una força semblant al membre reemplaçat o major i amb un moviment de gran precisió.
El control mioelèctric es basa en el concepte que sempre que un múscul en el cos es contrau o es flexiona, es produeix un petit senyal elèctrica (EMG) que és creada per la interacció química al cos. Aquest senyal és molt petita (5 a 200 microvolts). L'ús de sensors anomenats elèctrodes que entren en contacte amb la superfície de la pell permet registrar el senyal EMG. Un cop registrada, aquest senyal s'amplifica i és processada després per un controlador que commuta els motors encenent-los i apagant-los a la mà, el canell o el colze per produir moviment i funcionalitat.
Pròtesis Híbrides (Energia Corporal, més Energia Externa).
Una pròtesi híbrida combina l'acció del cos amb l'accionament per electricitat en una
pròtesis. En la seva gran majoria, les pròtesis híbrides serveixen per a individus que tenen amputacions o deficiències transhumerales (a dalt del colze).
Les pròtesis híbrides utilitzen sovint un colze accionat pel cos i un dispositiu
terminal controlat en forma mioelèctrica (ganxo o mà). Si ho desitja l'usuari, també es
pot incloure un canell accionat en forma mioeléctrica i una restauració cosmètica del
avantbraç i la mà. Un altre tipus de pròtesi híbrida combina un colze accionat pel cos.
Tot i que els casos d'amputacions o deficiències en l'àmbit de desarticulació de l'espatlla han estat tractats amb pròtesis híbrides, aquests casos s'han de ser molt acurats a causa de la quantitat de moviments generals del cos necessaris per operar aquest tipus de pròtesi i la interferència en senyals EMG (electromiogràfiques) creades durant aquest moviment.
Les pròtesis híbrides ofereixen diversos avantatges excepcionals. La més important és la capacitat de controlar simultàniament la flexió i l'extensió del colze a l'obrir o tancar la mà o ganxo elèctric o mentre es gira el canell.
Les altres opcions protèsiques generalment exigeixen que l'usuari controli una sola funció a la vegada (flexionar el colze, bloquejar el colze, obrir o tancar el dispositiu terminal). La pròtesi híbrida pesa menys i és menys costosa que una pròtesi similar amb un colze i una mà accionades per electricitat.
2.2 Història de les pròtesis.........................................................................................................
L'avanç en el disseny aquestes pròtesis ha estat lligat directament amb l'avanç en el maneig dels materials emprats per l'home , així com el desenvolupament tecnològic i la comprensió de la biomecànica del cos humà.
La pròtesis mes antiga de la qual es té constància és de un dit gros artificial, que va pertànyer a Tabaketenmut, la filla d'un gran sacerdot egipci que podria haver perdut un dit del peu com a conseqüència d'una diabetis. Es va trobar en la mòmia de aquesta, i estava feta de coure i fusta i es creu que data del 950 A.C.
1a Protèsis Egipcia
La següent pròtesis que es té constància es d’una cama feta de bronze que es data del 300 A.C. A la Grècia antiga també es fa menció de pròtesis rudimentàries ,com en la historia de Hegesistratus, un endeví grec que va tallar el seu propi peu per escapar dels seus captors espartans i la va substituir per una de fusta o en les històries d'Heròdot, historiador grec, diuen d'un soldat persa que escapa tallant la part del seu peu, i més tard es crea una pròtesi de fusta.
Durant l'Edat Mitjana va haver pocs avanços en prostésica. Va ser una època fosca en què es va produir un estancament en gairebé totes les branques del coneixement. Els únics fets destacables, van ser la pota de pal i el ganxo de mà que, no obstant això, estaven només a l'abast dels adinerats. Les pròtesis per a la resta eren poc funcionals i estaven més pensades per a dissimular ferides o deformitats que per ser realment útils en el dia a dia.
En 1509 va construir una famosa pròtesi de mà per al cavaller alemany Gotz Von Berlinchingen, anomenat "Gotz Mà de Ferro", la mà pesava 1.4kg i tenia dits
3 Estructura i funcionament del sistema muscular i
nerviós
3.1 Definició i estructura
3.1.1 Sistema muscular
El sistema muscular, permet al nostre esquelet moure’s , que es mantingui ferma i estable i també ajuda a donar forma al nostre cos.
Format per músculs i tendons, els quals es contrauen i s’estiren per generar moviment i realitzar les funcions vitals.
Es divideix en tres grups segons la seva disposició : Estriat o esquelètic , llis i cardíac.
Els que permeten que l’individu es mogui són els estriats per tant seran l’objecte d’estudi en aquest projecte.
Els músculs estriats tenen com a unitat anatòmica i bàsica els sarcòmers, els quals estan formats per actina i miosina. La contracció muscular es produeix quan els filaments d’actina es desplacen sobre els filaments de miosina degut a la intervenció del sistema nerviós i del calci.
Les característiques de les fibres musculars estriades són : color vermellós fosc, contracció voluntària i ràpida , sempre estan adherides als ossos , com a mínim a dos per
tal de poder moure’ls , està regulat pel sistema nerviós central a traves dels nervis i en menor part pel sistema endocrí.
Els músculs estriats estan formats per cèl·lules fusiformes (allargades), que consten dels següents elements: Sarcolema (membrana cel·lular que s’acobla als ossos) , Sarcoplasma ( medi intern de la cèl·lula), Nuclis cel·lulars (a diferència de altres cèl·lules, posseeixen més d’un nucli), Actina i Miosina ( proteïnes encarregades de la contracció muscular).
3.1.2 Sistema nerviós.................................................................................................................
L’altre sistema involucrat és el sistema nerviós, una xarxa neuronal de cèl·lules que transmeten les ordres provinents del cervell.
Està dividit en el sistema nerviós central –que comprèn el encèfal i la medul·la espinal –, i sistema nerviós perifèric –què corresponen els dotze parells de nervis que ixen de l'encèfal, els trenta-un parells que ixen de la medul·la espinal i les ramificacions que s'estenen fins a la perifèria.
Les cèl·lules que el formen són les cèl·lules glials i les cèl·lules neuronals
Les cèl·lules glials tenen com a funció el suport i nutrició de les cèl·lules neuronals, mantenen l’homeòstasi, formen la mielina, substancia que accelera la transmissió de informació entre neurones i participen en menor mesura en la transmissió de senyals del sistema nerviós.
Segons la seva ubicació es classifiquen en: Glia central, constituïda pels astròcits, oligodendròcits i les cèl·lules ependimarioles, i la microglia, que són cèl·lules que solen trobar-se en el cervell, cerebel, tronc cerebral i medul·la espinal i glia perifèrica. Constituïda per les cèl·lules de Schwann, les cèl·lules capsulars i les cèl·lules de Müller. Normalment es troben al llarg de tot el sistema nerviós perifèric.
Per una altra banda tenim les neurones, cèl·lules especialitzes en la recepció d’estimuls i conducció del sistema nerviós entre elles o amb altres tipus de cèl·lules Són cèl·lules altament diferenciades, la majoria de les quals no es divideixen un cop aconseguida la seva maduresa, però poc a poc són regenerades en el cervell (neurogènesis).
3.3 Aplicacions del senyal EMG..............................................................................................
Tot i conegudes des de principis del segle XX, el senyal EMG no ha servit per a un fi útil fins que van estar els avenços de l'electrònica i la informàtica. Encara avui en dia, la contínua evolució
d'aquests sistemes propicia constants avenços en els sistemes que aprofiten el senyal EMG i l'aparició de nous sistemes
Aplicacions mèdiques...............................................................................................................
Com senyals originada pel cos humà que és, té un interès evident en la pràctica mèdica.
En el camp de la diagnosi s'utilitza per detectar l'esclerosi lateral amiotròfica, i la miositis, la neuropatia motora hereditària de tipus 1 o la distròfia muscular.
Atès que el senyal EMG revela l'activitat muscular, és molt útil també a l'hora d'estudiar el moviment i la coordinació dels músculs del cos humà, els mecanismes que té a la
hora de realitzar tasques molt complexes, com ara l'acte de caminar o els moviments quotidians d'un braç.
També el senyal EMG s'ha utilitzat per recrear millor algunes zones del cos humà,
com les zones d'innervació al bíceps, o la longitud de les fibres musculars com a funció de el seu estat d'excitació.
Aplicacions de control..............................................................................................................
Des dels anys 60 s'ha utilitzat el senyal EMG com a senyal de control per pròtesis mogudes per motors elèctrics o com a senyal de control per a la excitació de músculs que han patit paràlisi.
La senzilla adquisició del senyal a la superfície de la pell és idònia per obtenir un senyal de control, bé en persones amputades que volen governar una pròtesi mioelèctrica. de la mateixa manera que la contracció muscular produeix un senyal elèctric, l'estimulació d'un múscul amb un senyal elèctric extern provoquen la seva contracció.
Però com el senyal de control que és, pot dirigir molts altres dispositius
Retroalimentació
Les pròtesis modernes utilitzen sistemes de retroalimentació o feedback. Si no s’utilitzés cap sistema de retroalimentació, l’usuari no sabria la força que esta exercint sobre la pròtesis i li seria impossible agafar objectes delicats sense fer-los malbé.
S’han incorporat a les noves pròtesis sensors que adquireixen la senyal a l’extremitat perduda i la fan arribar al usuari. Un clar exemple d’això es la mà de la firma Otto
Bock, que té sensors de contacte i lliscament, que permeten controlar la força exercida.
3.4 Adquisició de la senyal EMG
El mesurament de la senyal EMG es pot realitzar a través d’un elèctrode d’agulla, si es per a fins mèdics o un elèctrode de superfície si no s’admet mètodes invasius. Els elèctrodes d’agulla són molt incòmodes per al pacient i es descarta el seu ús en les pròtesis mioelèctriques.
Un elèctrode de superfície recull la senyal de milers de MUAPs (potencials d'acció de les unitats motores), en canvi un elèctrode d’agulla nomes en recull unes poques decenes i es més específic.
Electrode de superfície Electrode d’agulla
síntesis. Exemples: nanocompòsits, les ceràmiques metall-carboni o metall- nitrogen, i els aliatges intermetàl·lics complexos. Segons la seva relació amb el hoste poden classificar-se en:
- Bioinerts: Resisteixen llargs períodes en entorns altament corrosius, són emprats per a implants permanents i cirurgia cranial. Exemples: titani, crom- cobalt i Bioceràmiques.
- Biodegradables: Són dissenyats per tal que es degradin gradualment i siguin reemplaçats per teixits propis de l’hoste, són emprats en sutures o en reconstruccions òssies. Exemples: Biomaterials polimèrics i Bioceràmiques com el fosfat tricàlcic o la hidroxiapatia porosa.
- Bioactius: Reaccionen activament amb els fluids corporals per formar un fort enllaç entre el implant i l’hoste, són emprats en implants dentals i pròtesis ortopèdiques. Exemples: Hidroxiapatita d’alta densitat, vidres bioactius i algunes ceràmiques vitries.
Amb l’aparició de les impressores 3D s’ha pogut posar al abast del públic un nou tipus de pròtesis, no tan complexes però si plenament funcionals i amb un cost molt més reduït , els materials amb els que es fabriquen solen ser filaments termoplàstics del tipus ABS(Acrylonitrile butadiene styrene) o PLA (Polylactic acid). D’un pressupost més alt tenim gels injectables composts per cèl·lules vives i pròtesis fetes amb materials intel·ligents que canvien las seva estructura al rebre un estímul extern del tipus calorífic, magnetoelèctric, etc...
4.2 Requisits per a ser un biomaterial
Com ja s’ha esmentat abans per tal que un material sigui classificat com a biomaterial ha de seguir uns requisits bàsics tals com no ser tòxics ni cancerígens, ser químicament estables i inerts ( a menys que es vulgui una interacció amb el pacient com en els bioactius), tenir una resistència mecànica i a la fatiga adequades, posseir una densitat i pes adequats, grandària i forma que no molesti al pacient i ser relativament econòmic, reproduïble , fàcil de fabricar i processar per a la seva producció a gran escala.
El sector dels biomaterials és enormement dinàmic, amb constants avenços. La seva tendència principal era la de eliminació dels teixits del cos i substituir-los, però actualment s’intenta la regeneració progressiva dels teixits, tot una revolució. Els biomaterials han de funcionar com a suport sobre els quals es puguin desenvolupar els teixits i el propi cos torni al seu estat original.
Els principals països investigadors en aquest camp són Estats Units, Suïssa i Alemanya. Espanya és un país on degut a la reducció en I+D, s’ha alentit la investigació, però en el Centre d’Investigació en Enginyeria Biomèdica de la UPC actualment hi ha dos línies principals de treball, on s’investiguen els materials intel·ligents formats per plàstics i polímers barrejats amb proteïnes que alliberen
controladament fàrmacs i materials amb memòria de forma (molt elàstics i que tenen la capacitat de canviar de forma depenent de la temperatura ambiental).
En el Institut de Biomecànica de València s’està estudiant unes proteïnes morfogenètiques òssies per al tractament de fractures i es busquen nous materials que el seu nivell de desgast sigui menor.
5 Comparació pròtesis
mioeléctrica amb pròtesis mecànica
La gent que necessita de una pròtesis activa ha de decidir entre una mioeléctrica o una mecànica i ha de tenir en compte els avantatges i desavantatges que tenen cadascuna i ser conscient per a prendre la decisió més adient.
Per a alts nivells d’amputació, com les superiors al colze o de l’espatlla es recomana una combinació de les funcions mecàniques i mioelèctriques, una mena d’híbrid. Una amputació per sobre de colze pot tenir suficient abast de moviment i suficient força com per aguantar una pròtesis mecànica.
Entre els avantatges d’utilitzar una pròtesis mecànica es la lliberta d’utilitzar-la en llocs amb pols, grassa i aigua, a demes de una bona força prensora, comparable a una pinça i amb bona durabilitat, el desavantatge que presentaria seria la incomoditat que implica tenir que portar un arnés, i estèticament l’aparença del ganxo.
D’altra banda els avantatges de les pròtesis mioelèctriques són la comoditat que implica no haver de dur l’arnés, un nivell de precisió més alt en quant maneig de objectes es refereix, però com a contra té el desavantatge de que no pot ser utilitzada en medis on hagi aigua, pols o altres contaminants ja que farien malbé als circuits de la pròtesis.
7 Muntatge d’una pròtesis mecànica : Cyborg Beast
Objectiu de la pràctica
Com a part pràctica del treball, he decidit muntar una pròtesis mecànica, concretament el model Cyborg Beast, una pròtesis plenament funcional dissenyada als Estats Units, feta de una part plàstica, impresa en 3D i altres materials, de metall que uneixen les peces i permeten la mobilitat d’aquesta. Aquesta pròtesis està destinada per a nens d’entre 7 a 16 anys, que hagin patit alguna lesió, accident o hagin nascut sense mà.
Amb aquesta pràctica, pretenc muntar una pròtesis per tal de veure el seu funcionament i poder arribar a comprendre la sensació que tenen els nens al tenir que emprar una pròtesis en el seu dia a dia.
Materials
Els materials que formen la mà són les parts plàstiques , tals com les falanges, els artells, la base de la mà i una part que es col·loca sobre el canell i la resta del braç per servir de suport a la resta de la mà. Els materials que permeten les unions de la resta de peces i de la mà protètica al braç humà són: (4 peus) de velcro, de doble cara (2 "d'ample) (5 peus) corda de niló (1 mm de diàmetre) (5 peus) corda elàstica flexible (2 mm de diàmetre) (1) Alumini Chicago cargol - 2 ¾ " (6) cargols d'acer inoxidable Chicago - ½ " (6) cargols de tensor (gran) (5) Cobertes de Gel pels dits (12 polzades) de farciment d'escuma ferma (5 ¾ "d'amplada) (1 rotlle) cinta de tefló
Procés de muntatge:
Primer de tot es llimen els orificis on van situats els cargols per tal que no hagi fregament i el dit es pugui doblegar lliurement i sense oposició, després es procedeix a la unió de les falanges amb els artells.
Un cop ja es tenen muntat tots els dits, s’acoblen a la base de la mà mitjançant el cargol de alumini i amb un cargol de d’acer inoxidable per al dit polze.
