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FIJACIÓN DE FRACTURAS
UNIVERSIDAD DEL VALLE















Introducción


Un gran número de personas sufre fracturas de huesos por distintos tipos de accidentes. La cantidad aumenta debido al incremento de vehículos en las vías de nuestro país, principalmente de motos, cuyos pasajeros tienden a ser más vulnerables. Existen fracturas que los médicos denominan complejas, en las cuales se produce la lesión de los tejidos blandos que rodean los huesos. Otro tipo de fractura es la conminuta, denominada así porque el hueso se rompe en muchas partes o fragmentos pequeños. Estas fracturas se producen cuando se disipa una gran cantidad de energía, lo que suele ocurrir durante el choque de vehículos.


Los sistemas de fijación externa permiten tratar las fracturas de huesos, sobre todo cuando son complejas y afectan a los tejidos blandos adyacentes, como músculos y ligamentos. Se consiguen importados de muy buena calidad; no obstante, su costo suele ser muy alto. Con el fin de producir un sistema nacional de buena calidad y costo razonable, se desarrolló el ATLAS, el cual, a diferencia de los sistemas de fijación comerciales, está basado en una prensa conectora que permite activar todos los grados de libertad entre los fragmentos.


Cada grado de libertad describe el movimiento de translación o la rotación relativa entre los fragmentos con respecto a cada una de las tres direcciones del espacio. Además de reducir los costos en los sistemas de salud, los equipos o dispositivos nacionales utilizados en medicina tienden a incentivar la ingeniería nacional, con las consecuentes ventajas en generación de empleo y en productos terminados que también tienen un potencial para su exportación.

 

Propiedades de los huesos y tipos de fracturas


Los huesos constituyen una parte fundamental del sistema músculo-esquelético humano que nos permite caminar y realizar los movimientos requeridos durante nuestras actividades diarias. Están formados por un tejido vivo rígido en permanente renovación mediante procesos de formación y reabsorción.


Existen dos tipos de tejido óseo: el compacto o cortical y el esponjoso o trabecular. Mientras que el primero tiene una alta densidad y aparece en la parte externa del hueso, el segundo, que constituye la parte interna, está compuesto de una serie de placas diminutas orientadas de una forma optimizada para soportar mejor la compresión (figura 1).


Los huesos se encuentran en constante cambio, mediante la creación y destrucción de sus propios componentes, lo que hace que se comporten como estructuras inteligentes que se acomodan a las demandas de fuerzas que les impone el medio a lo largo de las diferentes etapas de la vida. Las células que contienen los huesos se pueden clasificar en osteoblastos, osteoclastos y osteocitos. Los osteoblastos están encargados de formar el hueso mediante la producción de sustancias orgánicas que lo rodean hasta que se muere y se convierte en osteocito, dándole forma al hueso. Los osteoclastos son las células que generan el proceso de reabsorción o pérdida de hueso, el cual equilibra el proceso de formación de hueso causado por los osteoblatos, para mantener la forma y permitir una renovación permanente del tejido óseo.


Las fracturas suelen ser causadas por caídas y accidentes de tránsito. Pueden ser cerradas, sin heridas externas, o abiertas, caso en el cual existen daños evidentes en los tejidos blandos que rodean el hueso, incluida la piel. Dependiendo de la cantidad de energía y del tipo de carga durante la caída o accidente, la fractura puede ser oblicua, cuando el plano de falla forma un ángulo con respecto al eje, conminuta, cuando el hueso queda fracturado en muchos fragmentos pequeños, o en espiral, cuando la zona de fractura forma una superficie en espiral alrededor del hueso.


Proceso de reparación de una fractura


El tiempo y la forma en que se cura una fractura dependen en buena medida de los procedimientos que se usen para su estabilización. En general, si la estabilización es flexible, de tal forma que se producen movimientos relativamente grandes entre los fragmentos, durante las primeras fases de reparación se forma un callo en la parte externa del hueso mediante el cual se disminuye el movimiento entre los fragmentos para facilitar la curación total. Por el contrario, cuando la rigidez del método de tratamiento adoptado es muy alta, de modo que se reducen de forma significativa los desplazamientos relativos en la zona de fractura, el hueso tiende a unirse directamente sin formación de callo externo.


Las fases de la curación comprenden un primer periodo de inflamación, durante el cual se restaura la alimentación de la sangre, un segundo periodo de formación de callo externo y un tercer periodo de remodelamiento, durante el cual se restauran las propiedades originales del tejido.


Sistemas de fijación externa


Los sistemas de fijación externa son un método muy indicado para tratar fracturas de huesos. Como su nombre lo indica, consisten en un marco externo al hueso en el cual se apoyan los tornillos que van unidos a cada fragmento (figura 3). Un fijador externo está compuesto de los clavos que se fijan al hueso, de prensas o rótulas que conectan a sus componentes y de otros elementos como barras, rieles o tubos que permiten transmitir las fuerzas a través del fijador.


En el momento de su aplicación, y antes de estar ajustadas las prensas que lo componen, el fijador debe permitirle al médico ortopedista realizar los movimientos suficientes de un fragmento del hueso respecto al otro para que la fractura quede adecuadamente reducida. Esto significa que la superficie de fractura de un fragmento quede correctamente alineada respecto a la superficie de fractura del otro. En el lenguaje de ingeniería, cada uno de los movimientos está asociado con un grado de libertad, donde la mayor movilidad de un fragmento respecto del otro se logra cuando se tiene la posibilidad de realizar seis grados de libertad que están compuestos por tres translaciones y tres rotaciones.


La función del fijador es estabilizar el hueso fracturado para que los movimientos relativos en la zona de fractura sean pequeños y se pueda producir el callo óseo y la reparación del hueso. Desde el punto de vista mecánico, debe asegurar una rigidez suficiente para que los desplazamientos en la zona entre fragmentos no sean muy altos y una estabilidad adecuada para que no se produzcan desplazamientos permanentes entre los fragmentos después de que se ha asegurado el fijador durante su aplicación por el médico ortopedista.


Problema por resolver y estado inicial


Los primeros intentos de nuestro grupo estuvieron encaminados a diseñar, construir y evaluar prototipos económicos como el de las figuras 4a y 4b, que fue construido con aluminio. Este prototipo no arrojó los resultados deseados ya que, por una parte, el aluminio es un metal relativamente blando, por lo que se ocasionaron daños en la superficie de los elementos debido a los movimientos relativos. Por otra parte, durante las pruebas de carga en el laboratorio, este prototipo no tuvo la estabilidad adecuada debido a que un pequeño deslizamiento en cualquiera de sus componentes ocasionaba desplazamientos permanentes en la zona de fractura o zona interfragmentaria.


Se tomó entonces como punto de partida un fijador externo nacional frecuentemente utilizado en el Suroccidente colombiano, como el que se ilustra en la figura 5, el cual consta de dos barras paralelas y prensas que las unen a los clavos. Esta es una configuración muy sencilla y económica que brinda una excelente rigidez y estabilidad. Las prensas están constituidas por un cuerpo cilíndrico con dos orificios que tienen sus ejes a 90o y unos agujeros con rosca en los extremos para ajustar la posición de las barras mediante tornillos. Por tanto, antes de ajustar los tornillos, las barras pueden deslizarse y rotar en cada uno de los dos agujeros. Se dice entonces que estas prensas conectoras proveen cuatro grados de libertad: las dos traslaciones y las dos rotaciones en los agujeros (figura 5).


Para garantizar una configuración estable es necesario que el ensamble contenga dos barras. Debido al diseño de las prensas, que tienen sus orificios fijos perpendiculares, antes de apretar los tornillos esta configuración solo permite activar dos grados de libertad entre los fragmentos del hueso: un desplazamiento transversal y un desplazamiento en la dirección del eje del hueso o axial (figura 5). Dadas estas limitaciones, resulta entonces muy difícil para el médico ortopedista reducir adecuadamente la fractura.


A diferencia de la prensa mostrada en la figura 5, existen otras comerciales que permiten activar cinco grados de libertad entre los elementos (figura 6). Estas prensas suministran mayor movilidad entre los fragmentos, lo que le brinda al médico más facilidad para reducir la fractura. No obstante, no permiten activar todos los grados de libertad entre los fragmentos.


Por tanto, el problema que nos planteamos fue diseñar y construir una prensa mediante la cual se pudieran activar todos los seis grados de libertad entre los elementos por conectar. Los grados de libertad son tres translaciones y tres rotaciones. Específicamente, el problema consistía en idear una prensa que permitiera conectar los cuatro clavos desalineados que se representan en la figura 8, con una sola barra. Es de anotar que con las prensas comerciales de cinco grados de libertad, los cuatro clavos se pueden conectar con tres elementos, como se describe en la representación intermedia de la figura 7.


Descripción del sistema desarrollado


Además de permitir seis grados de libertad entre los elementos, la prensa a desarrollar debía ser fácil de construir, de tal manera que tuviese un costo razonable. Después de analizar varias ideas, el proceso de diseño dio como resultado la prensa mostrada en la figura 8. Esta prensa está formada por cinco partes: dos tornillos de sujeción, dos cuerpos cilíndricos y un tope interno. A diferencia de las prensas comerciales, la prensa del sistema ATLAS permite variar la distancia entre las barras, identificada en la figura 8, como grado de libertad 5.


Cuando los tornillos están flojos, se pueden activar los seis grados de libertad entre los elementos a conectar, tal como se ilustra en la figura 8. Después de apretar los tornillos, los elementos quedan fijos, uno respecto del otro. Con esta prensa es posible resolver el problema de activación de los seis grados de libertad. Para lograrlo, la prensa permite cambiar la distancia entre los elementos que conecta, los cuales son, las dos barras horizontales y los clavos que se ven desde el extremo como círculos rojos. Nótese que esta distancia cambia para cada clavo, y se puede adaptar mediante el conector. Esta versatilidad permite además realizar conexiones cuando los clavos se fijan en dos planos aproximadamente perpendiculares, como se ilustra en el ensamble inferior de la figura 9.


Pruebas biomecánicas


Con el fin de garantizar un buen desempeño del fijador, fue necesario realizar pruebas biomecánicas y simulaciones computacionales. Las pruebas biomecánicas estuvieron encaminadas a determinar la estabilidad, el comportamiento ante cargas cíclicas y la rigidez del sistema.


La estabilidad se refiere a la capacidad del fijador de soportar las cargas máximas sin que se presenten desplazamientos permanentes. En otras palabras, si el sistema es estable, entonces cambia su forma cuando se aplican fuerzas debido a su elasticidad, pero luego recupera por completo su forma original cuando se retiran dichas fuerzas. Esta capacidad debe garantizarse además mediante la realización de pruebas cíclicas o variables con el tiempo, como las que se producen durante la marcha de un paciente. Este análisis fue realizado para varias configuraciones del sistema ATLAS (Leyton et al, 2003; Machado et al, 2004; Morán y García, 2011).


Por otra parte, la rigidez se refiere a la relación entre las fuerzas que se aplican sobre un cuerpo y al cambio de forma que producen. Por ejemplo, si el cuerpo es un resorte que se intenta comprimir (figura 10), el cambio de longitud x resulta proporcional a la magnitud de la fuerza F que se le aplica. En este caso, la constante de rigidez KR es una propiedad del resorte que se define como KR=F/x. En consecuencia, ante una fuerza conocida, como el peso de una persona, a una mayor constante de rigidez le corresponde un movimiento relativo menor entre los extremos del resorte.


La idea de rigidez aplicada a un sistema de fijación externa es un poco más compleja, ya que, por una parte, la fuerza se puede aplicar en cualquier dirección, y además de la fuerza se puede presentar un momento. El momento de una fuerza con respecto a un punto cuantifica la intensidad con que la fuerza trata de hacer girar el cuerpo si el punto estuviese fijo, tal como se ilustra en la figura 11. Este momento aumenta tanto con la magnitud de la fuerza como con la distancia, medida perpendicularmente, entre el punto y la fuerza. Por ejemplo, si una persona desea aflojar uno de los pernos de la llanta de su carro, lo puede hacer más fácilmente si utiliza una herramienta con un mayor brazo, ya que en este caso se incrementa el momento debido al aumento de la distancia entre la fuerza y el perno.


Debido a que la fuerza y el momento descritos antes pueden tener cualquier dirección, se suelen calcular sus componentes a lo largo de tres ejes ortogonales. Surgen aquí entonces tres componentes de fuerzas y tres componentes de momentos para un total de seis tipos de carga independientes a las que puede estar sometido el fijador (figura 12).


Para cada tipo de carga es necesario establecer el desplazamiento en la zona de fractura. Este desplazamiento puede estar orientado en cualquier dirección, además de que está acompañado de un giro. Por lo tanto, para la plena caracterización de los desplazamientos interfragmentarios es necesario determinar las translaciones en las tres direcciones ortogonales sumadas a los tres giros.


De acuerdo con lo anterior, para obtener una descripción completa de la rigidez del fijador es necesario establecer matemáticamente la relación entre seis fuerzas y momentos y seis desplazamientos y giros. Esto se hace a través de un conjunto de 36 números que se agrupan en lo que se denomina matriz de rigidez.


Para establecer esta matriz de rigidez del sistema ATLAS se realizaron pruebas experimentales con varios casos de carga, tal como se presenta en las figuras 13a y 13b. Los resultados de estas pruebas se complementaron con modelos teóricos como el representado en la figura 14.


Ejemplos de aplicación


Después de ser validado biomecánicamente el sistema ATLAS fue sometido a pruebas clínicas en las que mostró un buen comportamiento, tal como se ilustra en los casos mostrados en las figuras 15 y 16. En una parte del tratamiento de la fractura es conveniente que el callo óseo empiece a soportar carga axial mientras que el fijador externo es responsable de absorber las fuerzas cortantes o transversales al eje del hueso. Este proceso, que se denomina dinamización, se puede lograr con el sistema ATLAS al suprimir algunos tornillos, como se ilustra en la tercera foto de la figura 16.


 



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