Impresión 3D para prótesis de bajo coste                                                                   

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 nos 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.

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.

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.

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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) hemos 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.

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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

FabLab Madrid CEU ha donado ya dos prótesis pasivas de brazo que se han realizado tras la solicitud de un adulto y un niño con amputación de mano y parte del brazo. La primera se ha enviado a Paraguay y la segunda a México y nos encontramos trabajando en estos momentos en tres prótesis más: una de ellas destinada a un adolescente, aquí en nuestro país y otras dos destinadas a pacientes del Hospital Público de Makeni, en Sierra Leona.

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.

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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.

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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.

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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 partíamos 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 hemos 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.

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La mano incorpora unos conectores realizados en impresión 3D con PLA flexible que mejoran  considerablemente el comportamiento de los dedos, ya que con ellos el movimiento es más suave. Además las piezas flexibles permiten eliminar los codones que utilizábamos en la prótesis pasiva para que lo dedos se abriesen tras la flexión. Esta prótesis lleva únicamente un juego de tensores que son los que permiten la prensión y el cierre de la mano. Dichos tendones tiran de los dedos y estos van anudados al motor, cuyo giro permite la tensión que hace que los dedos de la prótesis se cierren.

Por otro lado, la parte electrónica de la prótesis ha sido diseñada y fabricada en su totalidad co la tecnología del laboratorio. Una placa integrada aúna el sensor y el microcontrolador para que ésta pueda ser 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.

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.

Más información sobre Myoelectric Hand aqui

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.

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Nuestro 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.

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El proyecto ha sido galardonado en los premios Open Awards 2017, los premios más importantes del sector de las tecnologías abiertas como Mejor Proyecto Solidario Open Source. El galardón se recogió durante la gala de entrega de premios celebrada el día 1 de junio de 2017 en Madrid, en el marco de OpenExpo 2017, la IV Feria y Congreso anual sobre FLOSS y Open World Economy (Open Data y Open Innovation) que reunió a más de 3.000 personalidades del sector, profesionales y empresas en búsqueda de generación de negocio. El objetivo de OpenExpo ha sido difundir, presentar, descubrir y evaluar las soluciones y las tendencias de la industria que ofrece el Open Source & Software Libre y Open World Economy (Open Data y Open Innovation).