Prótesis 3D bajo coste

José María Olayo olayo.blogspot.com
Tecnología
biónica
Ayudas t cnicas para laé
autonom a personalí

La Ingeniería Biomédica es una disciplina de
reciente creación. Su definición más aceptada
podría ser la aplicación de los principios de
la ingeniería a las ciencias de la vida.
Una ciencia que combina los criterios de diseño
en ingeniería y las herramientas de análisis
provenientes de las matemáticas, la física y
la química a la resolución de problemas en
medicina, biología, biotecnología, farmacia, etc.

Una rama del saber que se encuentra a
medio camino entre las Ingenierías en
Telecomunicación, Ingeniería electrónica
e Ingeniería Informática, y las Ciencias
de la Vida (Medicina, Farmacia,
Biología, Biotecnología).
Se trata de una titulación con un fuerte
conocimiento del Tratamiento Computacional
de la Información y con sólidos fundamentos
en Biología y Medicina.
A diferencia de otras ingenierías, la Ingeniería
Biomédica tiene una clara orientación hacia la
investigación y el desarrollo de nuevas técnicas
y productos en el ámbito de la Biomedicina.

El Laboratorio de Fabricación Digital (FabLab),
de la Universidad CEU San Pablo de Madrid,
en colaboración con Enabling the Future,
ha desarrollado una prótesis de brazo
fabricada con tecnología de impresión 3D.
Esta iniciativa forma parte del proyecto 'Prótesis
de bajo coste realizadas con impresión 3D', que
permite la donación de prótesis de mano y brazo
a niños y adultos que no puedan acceder a una
prótesis convencional por su elevado coste.

En este caso, la prótesis ya ha llegado a su
destinatario en Paraguay, un hombre de 54
años a quien se le amputó la mano y parte del
brazo izquierdo tras un accidente de autobús.
Esta donación permitirá a su receptor disponer
de una prótesis de brazo cuyo movimiento se
activa a través de la flexión de su propio codo y
volver a realizar actividades laborales y cotidianas.
La prótesis se ha hecho con tecnología de impresión
3D, acoplando a una prótesis de mano dos nuevas
piezas que permiten ajustarse al antebrazo y al
brazo, liberando el movimiento del codo, que activa
la apertura y el cierre de los dedos de la prótesis a
través de un sistema de tensores flexibles.

La forma final de las piezas que configuran la
prótesis de mano se ha conseguido mediante
la impresión 3D, pero las piezas que cubren
el antebrazo y el brazo han sido sometidas a
un proceso de posformado para ajustarse a la
forma y dimensiones del brazo del receptor.
El FabLab ha realizado otras dos prótesis de
mano que ya se han donado a dos niños en
España y ahora está trabajando en otra
prótesis para un niño mexicano de seis años.
Esta iniciativa forma parte de la línea de
proyectos de innovación social que desarrolla
este centro desde sus inicios.

FabLab Madrid CEU es el Laboratorio de Fabricación Digital
(FabLab) de la Universidad CEU San Pablo, perteneciente a
la red mundial de laboratorios del Center for Bits and
Atoms del Massachusetts Institute of Technology.
Programas de Formación en Fabricación Digital
- Programa Fab Academy en colaboración con el Center
for Bits and Atoms del MIT.
- Programa Bio Academy en colaboración con el
Departamento de Biología Molecular de la Facultad
de Farmacia de la Universidad CEU San Pablo.
- Máster Propio en Fabricación Digital para la Arquitectura
en colaboración con Tunghai University.
- Summer 2017: Architecture & Design en tecnologías
de Fabricación Digital.
- Summer 2017: Estructuras a compresión en colaboración
con el CSIC.

Proyectos de Investigación
Proyecto de Investigación NEWTON.
FabLab Madrid CEU participa en el proyecto de
investigación ‘Networked Labs for Training in
Sciences and Technologies of Information and
Communication’ conocido por su acrónimo NEWTON.
Se trata de un proyecto dentro del Programa Marco
de Investigación de la Unión Europea Horizonte
2020 (H2020), centrado en implantar una plataforma
de soporte a la docencia y al aprendizaje innovadora
que permita implantar metodologías docentes basadas
en las tecnologías de la información y de la comunicación.
Programa FORMAVANZ de la Fundación General CSIC
(FGCSIC). FabLab Madrid CEU participa en el proyecto
‘Diseño de Estructuras a Compresión’ centrado en el
análisis estructural a partir del empleo de nuevas
tecnologías de fabricación digital.

Open FabLab Madrid CEU
Open FabLab Visitas. FabLab Madrid CEU organiza visitas y jornadas de puertas
abiertas para todos aquellos que deseen conocer los proyectos del FabLab y las
tecnologías que se emplean en el laboratorio. Para visitarnos, escríbenos a
clorenzo@ceu.es
Open FabLab Talleres. Fablab Madrid CEU organiza varios talleres gratuitos
abiertos a todos aquellos interesados en la fabricación digital.

El Proyecto Prótesis de bajo coste realizadas con Impresión 3D desarrollado
en el Laboratorio de Fabricación Digital de la Universidad CEU San Pablo
(FabLab Madrid CEU), es una iniciativa que ha permitido donar prótesis
de mano y brazo de bajo coste que fabricamos en el laboratorio con
tecnología de impresión 3D a niños y adultos que las necesitan y no
pueden acceder a una prótesis convencional por su elevado coste.
https://fablabmadridceu.com/2016/05/17/fabricacion-de-protesis-para-ninos/

Esto ha sido posible gracias a la colaboración de
FabLab Madrid CEU con la comunidad de voluntarios
Enabling the Future, que pone en contacto a familias
con voluntarios que pueden diseñar o fabricar manos
protésicas para niños que provienen de familias de
bajos recursos económicos que no pueden permitirse
una prótesis convencional.
Enabling the Future fue una de las primeras iniciativas
solidarias en diseñar sencillas prótesis construidas con
dedos artificiales articulados que podían abrirse o
cerrarse en función de los movimientos de la muñeca y
en compartirlas gratuitamente a través de su página web.
Actualmente, no sólo ponen a disposición de cualquier
persona las prótesis, los tutoriales y los planos para
fabricarlas sino que se ha convertido en una plataforma a
través de la cual es posible solicitarlas para ser fabricadas
por uno de los voluntarios adscritos a esta comunidad.
http://enablingthefuture.org/

Como parte de esta comunidad, FabLab Madrid CEU se ha comprometido,
por una parte a diseñar y fabricar prótesis para las personas que las
soliciten y por otra, a difundir y formar a los usuarios del laboratorio en
la aplicación de las tecnologías de las que disponemos para fabricarlas.

El proyecto contempla la fabricación de dos tipos de prótesis; las pasivas
realizadas exclusivamente con impresión 3D y las activas, que incorporan
componentes electrónicos para el movimiento de los dedos de la prótesis.

Prótesis Pasivas de mano
Atendiendo a la solicitud de prótesis para dos niños (uno de seis años y otra
de siete), se han realizado varios prototipos a medida según las fotografías
escaladas de sus brazos enviadas sus padres.
El procedimiento de fabricación parte de un modelo tridimensional del prototipo a
partir del cual se imprimen cada una de las piezas, tanto las diferentes piezas que
conforman la prótesis (como el dorso de la mano o las falanges y los nudillos) hasta
los pasadores y pequeñas piezas para el ensamblaje.
Una vez que las piezas se han impreso, se acoplan empezando por las falanges, que
se van articulando mediante los pasadores. Cuando los cinco dedos se han montado,
se pasa por cada uno de ellos un cordón elástico desde un extremo hasta el
contrario que permitirá la extensión de las falanges al girar la muñeca.

Por último, para conseguir que funcione todo el
mecanismo se debe pasar un hilo de nylon desde cada
una de las yemas de los dedos, pasando por los nudillos,
y atravesando el extremo proximal del dorso de la mano,
hasta la parte distal de la muñeca donde se fijan a una
pieza que es la que permite regular la presión que será
posible ejercer con los dedos para asegurar el mejor
agarre posible de los objetos con los dedos de la prótesis.
Estos hilos actúan como los tendones flexores de la
mano permitiendo el movimiento de prensión cuando
se produce la flexión de la muñeca. Una vez montada
la prótesis, su utilización y colocación en la mano es
muy sencilla y requiere tan sólo de una cinta de fijación.

Además del reducido precio de estas prótesis (si
consideramos tan sólo el coste del material, el precio
estaría en los 40 euros frente a los 6.000 euros de una
prótesis profesional), existen dos ventajas importantes
en la realización de estas manos protésicas. En primer
lugar, la posibilidad de ajustar la forma de la prótesis
al problema específico que presente una mano, es decir,
la pérdida de uno o varios dedos o de parte de los dedos
de la mano e incluso la pérdida completa de una mano.
Y en segundo lugar, la sencillez a la hora de ajustar las
prótesis a diferentes tamaños, lo que permite, gracias
también al bajo coste, que un niño pueda tener varias
prótesis durante su crecimiento.
Esto es posible diseñando los modelos tridimensionales
de la prótesis con un software paramétrico, que permitan
escalar los diseños de todas las piezas introduciendo de
una manera rápida y sencilla las medidas de la mano a
la que va destinada.

Prótesis pasivas de brazo
La prótesis pasiva de brazo se realizó tras la
solicitud de una persona que había sufrido la
amputación de una mano y parte del brazo.
En este tipo de prótesis, es el movimiento del
codo el que tensa los cordones que permiten que
los dedos de la prótesis se muevan. Para ello, es
necesario acoplar a una prótesis de mano dos
piezas que permiten ajustar la mano al antebrazo
y al brazo liberando el movimiento del codo que
permite la flexión de los dedos.
El sistema de cordones rígidos permitirá el cierre
de los dedos y un sistema de gomas acopladas a
las articulaciones de las falanges permitirá la
recuperación de la posición de la prótesis.

En este caso, la forma final de las piezas que configuran la prótesis de mano
se ha conseguido directamente del modelado tridimensional con tecnología de
impresión 3D, ensamblando posteriormente cada parte con conectores de PLA.
Sin embargo, las piezas que cubren el antebrazo y el brazo, han sido sometidas
a un postformado para adquirir la forma final.

Prótesis activas de mano
En la misma línea que las prótesis pasivas que permiten
el movimiento de los dedos mediante la flexión de la
muñeca o el codo, se ha desarrollado en el laboratorio
un proyecto de prótesis activa que podría ser empleada
por una persona con la mano amputada y que requiere
de un motor que facilite el movimiento de los dedos.
Para ello se han empleado tecnologías de impresión 3D,
corte por control numérico para el fresado de las placas
electrónicas y nociones de electrónica para la fabricación
de los circuitos electrónicos que necesita la prótesis
(las placas para el microcontrolador y el sensor) y la
programación de los dispositivos de entrada y salida
son necesarios (los sensores y el motor).

La prótesis cuenta con un sensor de electromiograma
que permite la lectura de la señal eléctrica que genera
cualquier músculo cuando se contrae, que se colocará
sobre los músculos del antebrazo y será el que posibilite
la activación del motor que mueve los dedos.
Frente a los prototipos de este tipo que se están
realizando actualmente, éste no necesitará de
electrodos adhesivos para captar la señal del sensor,
ya que éstos serán sustituidos por tejido conductivo
situado sobre el músculo del antebrazo, lo que hará
más sencillo y menos molesto su utilización.
Además, se ha diseñado y fabricado una placa
integrada que aúna el sensor y el microcontrolador
que es fácilmente replicable a un bajo coste por
cualquier laboratorio de fabricación digital de los
que se encuentran repartidos a lo largo del mundo.
Esto permitirá facilitar su fabricación en países en
vías de desarrollo afectados por conflictos bélicos,
con gran necesidad de disponer de este tipo
de prótesis a bajo coste.

El proyecto ha sido nominado para los Stanford Medicine X Health Care Design
Awards 2016, en la categoría “Collaboration in Health Care”, donde se premia
un proyecto orientado al campo de la salud en cuyo diseño y fabricación
destaque la implicación entre los distintos agentes involucrados:
centros de investigación, pacientes y personal médico.

El prototipo se ha realizado íntegramente en el
laboratorio basándonos en un brazo eléctrico que han
desarrollado voluntarios de la asociación Enable the
Future, a partir del cual hemos realizado una serie
de cambios e implementaciones.
La prótesis de la que se partía está pensada para una
persona que carece de la mano y el antebrazo, que es
sustituido por una pieza impresa en 3D donde va alojada
la electrónica que permite el movimiento de los dedos.
Para colocarse la prótesis, es necesaria otra pieza de
transición impresa también en 3D y un complemento que
a su vez va sujeto al hombro para que no se mueva.
Dispone también unos electrodos adhesivos con ventosas
que se colocan en el bíceps y que van a captar la señal
de un sensor de electromiograma. Éste, a su vez, va
conectado con un microcontrolador de manera que
cuando el músculo se contrae, el microcontrolador le
indica al motor que se mueva en un sentido que permite
que se cierren los dedos de la prótesis. De la misma
forma, cuando el músculo se relaja los dedos se abren.

El prototipo que realizado en FabLab Madrid CEU, está
dirigido a una persona con la mano amputada pero
que conserva el antebrazo y por lo tanto la caja que
contiene la electrónica iría fijada a su antebrazo.
Por ello, en lugar de emplear la señal eléctrica del
bíceps al contraerse, hemos usado la señal del
músculo del antebrazo y en lugar de colocar
electrodos de ventosa hemos empleado unas
tiras de tejido conductivo, de forma que
es más confortable.
Las piezas de tejido conductivo van cosidas
a la pieza de tela que cubre el antebrazo
y van a transmitir la lectura de la señal
eléctrica que emite el músculo al
comprimirse a la placa del sensor que
irá alojada en la caja que aloja la electrónica.

La prótesis consta de un servo, que se fija a la pieza
impresa en 3D que va unida al antebrazo, y al que
se anudan los tensores de la prótesis.
Cuando el servo motor gira, tira de los cordones para
la que los dedos de la mano puedan cerrarse. Además,
dispone de dos placas: una sobre la que se situa el
microcontrolador y otra en la que se coloca el sensor.
Junto con esto, son necesarias también dos baterías
(una para la placa del motor y otra para la del
microcontrolador) y los electrodos que transmitirán
la señal del músculo al microcontrolador, que el el
que envía la orden al servo para que gire y los
dedos de la prótesis puedan abrirse y cerrarse.

La fabricación de la mano ha implicado el diseño
del circuito y la fabricación de la placa, empleando
una máquina de control numérico; el soldado de
los componentes electrónicos y la programación
del microcontrolador y el sensor, la realización
de unas pruebas de señal en el sensor y su
conexión al microcontrolador.
Finalmente, para su correcto funcionamiento será
necesario ajustar en cada caso el sensor a la fuerza
del músculo de la persona que llevará la prótesis.

Con el fin de difundir los resultados de este primer prototipo, en el mes de julio de
2015 FabLab Madrid CEU impartió un taller en el marco de un curso de la Summer
University CEU San Pablo denominado: “Tecnología biónica en medicina: prótesis,
órtesis y órganos biónicos”.
En este curso, organizado por el Departamento de Ingeniería de la Escuela Politécnica
Superior participaron médicos, fisioterapeutas e ingenieros que trabajaban en centros
de investigación punteros en nuestro país y que trataron cuestiones relacionadas con
todo tipo de prótesis y órtesis profesionales así como dispositivos para la
rehabilitación robótica en pacientes con parálisis cerebral.
https://www.uspceu.com/es/ceu-internacional/summer-university/documents/Bionic_Technology2016.pdf

El laboratorio participó en el curso ofreciendo la charla “Impresión 3D en Protésica
Do it Yourself” y el taller “Construcción de un Brazo Biónico”, como una forma de
representar a toda una comunidad de FabLabs (laboratorios de fabricación digital),
Makespaces y Makers que, empleando las nuevas tecnologías que tienen a su alcance
están desarrollando alternativas a las prótesis profesionales, que de alguna manera
también están encontrando aplicación en algunos ámbitos de la sociedad.
En el taller se construyeron tres prótesis activas de mano algo más sencillas que nuestro
modelo mioeléctrico. Para ello emplearon tecnologías de impresión 3D y de corte por
control numérico y aprendieron las nociones de electrónica que les permitieron
construir las prótesis activas de mano.

Enabling The Future: una ONG dedicada
a construir prótesis para niños
Enabling The Future es una organización sin ánimo
de lucro creada hace unos dos años en Estados
Unidos cuyo objetivo es ayudar a niños que, o bien
por accidente o por defecto de nacimiento, han
perdido parcial o totalmente una de sus manos.
La ONG ha recopilado un conjunto de diseños de
prótesis de mano/brazo publicados libremente
en Internet por distintas organizaciones.
http://enablingthefuture.org/

A través de su página web es posible solicitar a la
ONG una de estas manos para los niños. Para ello
se emplea este formulario. Además de acudir a su
página web para pedir ayuda en la construcción de
una mano para un niño, también uno puede darse
de alta como voluntario dispuesto a construir manos
para niños. Para ello se emplea este otro formulario.
Para fabricar la mayor parte de estas manos se
necesita fundamentalmente una impresora 3D, y poco
más. Algunos modelos (como por ejemplo el Limbitless
Arm), tienen motores y componentes electrónicos, por
lo que son un poco más complejos de ensamblar y
requieren además de dispositivos electrónicos.
En España hay un laboratorio de fabricación digital,
el FabLab de la Universidad San Pablo CEU, que
forma parte de la red de Enabling The Future y que
ya está fabricando estas prótesis para niños españoles.

Si conoces a alguien que podría estar
interesado en usar una de estas manos,
¡Infórmales de la posibilidad de conseguir
una gratuitamente a través de Enabling
The Future!.
Y si tú tienes una impresora 3D ¡Planteate
formar parte de la red de Enabling The
Futurey colaborar con esta ONG!.
También podéis donar a Enabling The Future
para ayudarles a continuar con su misión.
http://enablingthefuture.org/blog/

Páginas relacionadas
y recomendadas

https://fablabmadridceu.com/about-us/

http://www.ingenieriabiomedica.org/queesingenieriabiomedica

http://www.ingenieriabiomedica.org/single-post/2015/05/19/Enabling-The-Future-una-ONG-dedicada-a-construir-pr%C3%B3tesis-para-ni%C3%B1os

http://www.servimedia.es/Noticias/Detalle.aspx?n=648377&s=23

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