ARTÍCULO ORIGINAL

Análisis cinemático del movimiento de flexión-extensión del dedo pulgar mediante un mecanismo de palanca

Cinematic analysis of the flexion-extension movement of thumb finger by a bar mechanism

Yuri Eduardo Oropesa Rodríguez,^I Raide Alfonso González Carbonell,^I Elsa Nápoles Padrón,^I Yosbel A Cisneros Hidalgo,^I Orlando Ortega Santiesteban^II

^I Grupo de Biomecánica y Bioingeniería. Departamento Ingeniería Mecánica. Universidad de Camagüey "Ignacio Agramonte Loynaz". Camagüey, Cuba. ]]> ^II Hospital Clínico "Faustino Pérez". Departamento de Neurología. Matanzas, Cuba.

RESUMEN

Introducción: la recuperación del grado de movilidad de las estructuras internas de la mano es un factor importante en la rehabilitación de pacientes.
Objetivo: estudiar la cinemática del movimiento de flexión-extensión de las estructuras internas del dedo pulgar a través de un mecanismo de palanca.
Métodos: se emplearon los métodos de análisis y síntesis de la teoría de mecanismos y máquinas. El dedo pulgar se definió como una cadena cinemática de tres grados de libertad.
Resultados: la velocidad y aceleración máxima se obtuvieron en el recorrido de la posición extrema superior hasta la de agarre. La velocidad angular para la unión metacarpo-falángica (MCP) fue 9,12 rad/s, 18,10 rad/s en la inter-falángica proximal (PIP) y 10,07 rad/s en la inter-falángica distal (DIP). La velocidad lineal para la unión metacarpo-falángica (MCP) fue 0,45 m/s, 0,73 m/s en la inter-falángica proximal (PIP) y 0,30 m/s para la inter-falángica distal (DIP). Las aceleraciones para MCP fue 4,10 m/s2 en el caso de la tangencial, 187,61 m/s2 para la normal. La inter-falángica proximal (PIP) fue de 13,3 m/s2 en el caso de la tangencial, 163,71 m/s2 para la normal; y para la inter-falángica distal (DIP) fue de 3,04 m/s2 en el caso de la tangencial, 31,52 m/s2 para la normal.
Conclusiones: se definen las ecuaciones fundamentales que permitieron el obtener las velocidades y las aceleraciones durante el movimiento de flexo-extensión de las uniones del mecanismo, en las posiciones principales del dedo pulgar.

Palabras clave: biomecánica; grado de movilidad; rehabilitación.

Introduction: the recuperation of the range of mobility of the hand is an important factor in the patient rehabilitation.
Objective: To study the kinematics of the flexion-extension movement of the thumb by a bar mechanism.
Methods: the methods of analysis and synthesis of the theory of mechanisms and machines were used. The thumb was defined as a kinematic mechanism of three degrees of freedom.
Results: the maximum speed and acceleration were obtained in the path from the upper end position to the grip position. The angular velocity for the metacarpal-phalangeal junction (MCP) was 9.12 rad / s, 18.10 rad / s in the proximal interphalangeal (PIP) and 10.07 rad / s in the distal interphalangeal (DIP). The linear velocity for metacarpal-phalangeal junction (MCP) was 0.45 m / s, 0.73 m / s in the proximal interphalangeal (PIP) and 0.30 m / s for the distal interphalangeal (DIP). The accelerations for MCP was 4.10 m / s2 in the case of the tangential, 187.61 m / s2 for the normal. The proximal phalangeal (PIP) was 13.3 m / s2 in the case of the tangential, 163.71 m / s2 for the normal; and for the distal interphalangeal (DIP) it was 3.04 m / s2 in the case of the tangential, 31.52 m / s2 for the normal one.
Conclusions: the fundamental equations that allowed obtaining the velocities and accelerations during the movement of flexion and extension of the mechanism joints in the main positions of thumb were defined.

Keywords: biomechanics; range of mobility; rehabilitation.

INTRODUCCIÓN

La biomecánica como disciplina científica tiene como objeto de estudio las estructuras mecánicas de los seres vivos, que se modelan como sistemas complejos formados por tejidos, sólidos y cuerpos mecánicos. Se analizan por tanto el comportamiento del movimiento y equilibrio de los mecanismos ante las cargas ^7,8 así como los esfuerzos y deformaciones que se someten estas estructuras mecánicas.^9-11

El movimiento es el resultado de la interacción huesos, articulaciones, músculos y tendones, con sus características y funciones específicas.¹² Los estudios biomecánicos del movimiento centran su atención en la colocación ósea y utilizan principios de la ingeniería mecánica para la modelación de los huesos, músculos y tendones, que se modelan a través de palancas, poleas, articulaciones, reacciones, fuerzas, momentos, etc.¹³

Se han desarrollado múltiples procedimientos para intentar restablecer las funciones normales de estas articulaciones cuando están dañadas por alguna secuela o enfermedad neuromuscular,¹⁴ sin embargo no existe conocimiento específico de la eficacia relativa de ellos, ni de su escenario específico de aplicación. Dada la importancia de las articulaciones Carpo-metacarpiana (CMC), Metacarpo-falángica (MCP) y la Inter-falángica (IP) en sus siglas en inglés, y su alto nivel de afectación, se hace necesario el estudio del comportamiento cinemático que experimentan en condiciones normales e intervenidas.

El estudio del comportamiento cinemático del movimiento de flexo-extensión de las estructuras internas del dedo pulgar, para la evaluación las afectaciones que las ENM provocan y su aplicación en tratamientos de rehabilitación, es insuficiente. El objetivo del presente trabajo es estudiar la cinemática del movimiento de flexión-extensión de las estructuras internas del dedo pulgar a través de un mecanismo de palanca.

MÉTODOS

Se empleó el método de análisis y síntesis de la teoría de mecanismos y máquinas. Las etapas de modelación se muestran en la figura 1. A partir del estudio anatómico del dedo pulgas se decidió emplear una cadena cinemática de tres grados de libertad, formado por la falange distal , falange proximal y el primer metacarpiano ,^15,16 y las uniones carpometacarpiana (CMC), metacarpofalángica (MCP), e interfalángica distal (DIP) y proximal (PIP) en sus siglas en inglés. Se asumió que el dedo pulgar está apoyado en su extremo distal. Se emplearon imágenes provenientes de la tomografía computarizada, que fueron procesadas mediante las operaciones de segmentado, selección de la región de interés, creación de las máscaras, suavizado de la geometría,^17,18 y se obtuvieron las longitudes de los elementos del mecanismo.

En la modelación de la cinemática del mecanismo se definieron las posiciones fundamentales del dedo y los ángulos en cada una de las uniones de acuerdo a la literatura consultada (Fig. 2).^13,19

De acuerdo con las características del mecanismo seleccionado para la modelación del dedo pulgar, las velocidades de sus segmentos en cualquier posición se obtienen mediante la ecuación 1:

Mientras que las aceleraciones de los segmentos del dedo se determinan según el sistema de ecuaciones 2:

donde:

Los máximos de velocidades y aceleraciones se obtuvieron en el rango comprendido entre la posición superior y la de agarre o intermedia, los cuales se muestran en la tabla.

El estudio cinemático del movimiento de flexo-extensión del modelo biomecánico del dedo pulgar, permite determinar el grado de movilidad, los límites de desplazamiento angular del área de trabajo del dedo pulgar y los valores de velocidad angular y lineal de las articulaciones, así como sus aceleraciones. Valores que se traducen en los rangos más factibles para efectuar la rehabilitación, y así la obtención de mejor rendimiento y resultados del tratamiento.¹⁸

La investigación centró el interés en la obtención de los valores de velocidades lineales y angulares, así como las aceleraciones en cada una de las uniones. Fueron obtenidas del análisis cinemático de la mecánica clásica vectorial según los límites angulares de movilidad del mecanismo. Las posiciones donde se registran los valores máximos y mínimos de velocidades y aceleraciones (desde la posición de agarre hasta la extrema superior) definen donde centrar la atención en los tratamientos de rehabilitación.^5,20

Las velocidades angulares resultantes absolutas en el análisis del modelo, están comprendidas dentro de los rangos determinados por género, en comparación con los valores obtenidos de las pruebas realizadas a hombres y mujeres reportados en investigaciones previas. v ¹³ La velocidad angular de la unión MCP no se corresponde con la de los resultados previos de otras investigaciones, ya que es una velocidad que depende en su totalidad de la posición exacta del mecanismo del modelo y de la longitud de la falange , esta longitud puede estar sujeta a deformaciones óseas u otra característica anatómica del paciente y de allí se desprende el resultado a obtener durante el análisis.

Finalmente se obtuvieron las ecuaciones fundamentales para el análisis de las velocidades y las aceleraciones durante el movimiento de flexo-extensión, en las uniones del mecanismo, en las posiciones fundamentales del dedo pulgar.

La principal limitación del modelo consiste en analizar el dedo pulgar como un mecanismo en 2D del movimiento de flexo-extensión con 3 grados de libertad. Cabe destacar que este trabajo constituye un punto de partida para el desarrollo nuevos estudios cinemáticos donde se considerará el movimiento combinado de flexo-extensión y aducción-abducción empleado en la función del agarre de la mano, ya que este movimiento durante la acción de la mano al agarrar objetos o realizar tareas cotidianas, se considera espacial y en ese caso se debe realizar el cálculo cinemático de la mano mediante métodos matriciales.

En la misma no se realiza análisis de fuerzas, tensiones y deformaciones que sufren los elementos óseos y tejidos blandos que intervienen en la función de la mano humana,^21,22 puesto que no se está analizando el diseño de prótesis u otro dispositivo donde si juega un papel fundamental las tensiones y deformaciones que estarían involucradas en el modelo.²⁰

La importancia de tener en cuenta los aspectos cinemáticos para el caso de la creación de nuevos dispositivos, nuevas metodologías de rehabilitación, tales como los valores permisibles de desplazamiento angular para cada una de las uniones en las diferentes posiciones (delimitando las trayectorias de trabajo en cada una de las funciones), así como los valores máximos y mínimos de aceleraciones y velocidades lineales y angulares de los elementos que intervienen en las funciones principales de la mano humana, como el agarre potente o las pinzas de precisión, es que se garantiza una rehabilitación segura y no invasiva en pacientes con ENM, se mejora en la eficiencia de los tratamientos y el uso correcto de los materiales, locales y recursos humanos.

La rehabilitación es un paso a la solución de problemas en pacientes que día a día esperan restablecer su vida activa en la sociedad. Cada día asisten a las salas de rehabilitación miles de personas en busca que una solución a su situación, con una esperanza que les abrirá nuevas puertas. El modelo planteado constituye un primer paso en la investigación del autor en la contribución a la rama de la rehabilitación, desde el punto de vista del análisis de las diferentes afectaciones de las funciones fundamentales que ejecuta la mano humana en su interacción con el medio, nuevas metodologías de rehabilitación, y una nueva página en el diseño de nuevos dispositivos y equipos con este fin.

Los autores declaran que no hay conflicto de intereses.

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Yuri Eduardo Oropesa Rodríguez. Departamento Ingeniería Mecánica. Grupo de Biomecánica y Bioingeniería. Universidad de Camagüey "Ignacio Agramonte Loynaz". Carretera Circunvalación Norte, entre Avenida Ignacio Agramonte y Camino Viejo de Nuevitas. CP - 74650. Camagüey, Cuba. ]]> 1 2015 191-206 2 2015 02 2 1 1 12-7 3 2013 04 11 1 1 1-10 4 2016 03 38 2 2 99-112 5 2012 01 28 1 1 34-42 6 2015 08 43 8 8 2057-63 7 2013 08 113 8 8 2133-42 8 2014 07 14 3 3 646-58 9 2015 29, 30 y 31 October 2014 Paraná, Argentina 305-8 10 2015 01 12 1 1 11-6 11 2015 04 19 1 1 73-82 12 2015 05 21 55-70 13 2013 J ul 2013 1-17 14 2014 12 16 45-53 15 2015 11 697 327-33 16 2015 E ne 277-82 17 2014 07 33 3 3 313-21 18 2014 10 136 12 12 124501 19 2014 263 20 2016 March 31st-April 2nd 2016 Paphos, Cyprus 638-42 21 2013 11 8 11 11 e79400 22 2013 04 13 2 2 11