Tacón de Torque para uso Ortopédico: Propuesta de un Nuevo Diseño

Abstract

The Torque Heel is an appliance used to correct the tibial torsion deformities. Inthis paper is shown the design and the material to manufacture a prototype of the Torque Heel in Cuba. Results are obtained through: experimentation applied to acquire the material used and determination of the design strength by the Finite Element Method.

Full text

1
Tacón de Torque para uso Ortopédico: Propuesta de un Nuevo Diseño.
R. González1, E. García2, J. Moya2
1 Universidad de Camagüey, Camagüey, Cuba
2 Universidad Central “Martha Abreu” de Las Villas, Santa Clara, Cuba
Abstract— The Torque Heel is an appliance used to correct
the tibial torsion deformities. In this paper is shown the design
and the material to manufacture a prototype of the Torque
Heel in Cuba. Results are obtained through: experimentation
applied to acquire the material used and determination of the
design strength by the Finite Element Method.
Palabras claves— torsión tibial, tacón de torque, ortopedia,
MEF, modelación.
I. INTRODUCCIÓN
Los temas relacionados con la salud constituyen hoy uno
de los ámbitos que más interés suscita entre los ciudadanos.
Se confía en que la investigación científica en el campo
biomédico y el desarrollo de nuevas tecnologías terapéuti-
cas permitan la curación de todas las enfermedades. Sin
embargo, existen factores que limitan que los avances tec-
nológicos sean disfrutados por todos, quedando exentos los
que no poseen recursos para adquirirlos [1]. El tema de los
costos está relacionado con el estado del desarrollo de la
tecnología; se ponen precios muy por encima de sus costos
para financiar la intensa actividad de investigación-
desarrollo (I+D) y así mantenerse en la competencia, dado
el dinamismo que existe en la rama. [2]
En Cuba, después del triunfo revolucionario, el desarro-
llo científico-tecnológico se ha orientado al beneficio del
pueblo, fundamentalmente en el campo de la salud. A pesar
del empeño que desarrollan los médicos por mejorar la
salud del pueblo, la falta de recursos impide su propósito.
Esto se puede apreciar en los tratamientos de deformaciones
que implican la utilización de dispositivos ortopédicos.
Un ejemplo de ello lo constituye el tratamiento de la tor-
sión tibial en niños de 3 a 9 años de edad. Caminar con los
pies hacia adentro constituye el problema ortopédico más
común en niños [3]. El tratamiento de la torsión tibial en
niños se emplean aparatos correctores como la férula de
“Denis Browne”, “Wheaton Brace”, las “Bandas Elásticas”
y calzado ortopédico con aditamentos especiales en el tacón,
como el tacón ortopédico de “Thomas” y el “Tacón de Tor-
que”. Si después de los 9 años persiste la torsión tibial in-
terna anormal y existe incapacidad funcional, estará indica-
da la corrección quirúrgica. [4]
De los aparatos ortopédicos mencionados anteriormente
solo se utilizan en Cuba la férula de “Denis Browne”, las
“Bandas Elásticas”, el calzado ortopédico con la variante de
tacón ortopédico “Thomas” y la corrección quirúrgica. [5]
Estas variantes de tratamiento presentan inconvenientes y
reacciones adversas, y generalmente existen limitaciones
económicas para producirlos, producto de la escasez de
materia prima en los talleres de ortopedia.
El Tacón de Torque, mostrado en la figura 1, no se co-
mercializa en Cuba; sin embrago, los Especialistas en Orto-
pédica tienen conocimiento de la efectividad de este aparato
en el tratamiento. Este dispositivo se fabrica con un material
elastomérico (goma) con determinadas propiedades mecáni-
cas, tales como: elevada resistencia al desgaste, a la fatiga,
al desgarro. Se adjunta a la parte inferior del tacón del zapa-
to, está compuesto por nervios inclinados que al apoyar el
pie se produce una rotación dinámica en dirección contraria
a la deformación de la tibia. Su principal ventaja consiste en
es el único tratamiento con carácter dinámico, donde se
incrementa el efecto corrector, no limita al niño de sus acti-
vidades físico-motoras durante el tratamiento, es una pieza
de fácil fabricación, difusión e involucra pocos recursos.
Fig. 1. Tacón de torque acoplado al tacón del zapato.
Para la fabricación de tacones de torque en Cuba se re-
quiere de un material y un diseño. En el desarrollo del traba-
jo se expondrán los elementos más importantes del nuevo
diseño.
II. MATERIALES Y MÉTODOS
En un primer momento, se analizaron las formulaciones
que se desarrollan en la Unión de Empresas de la Goma.
Según las prestaciones de cada formulación, dependerá la
proporción de los aditivos. Se identificó que la formulación
más apropiada para nuestro fin es la utilizada en la fabricación
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de calzado rústico. Como se observa en la figura 2, existe una
gran similitud entre los modelos físicos de cargas a las que
están sometidos la suela del calzado rústico (figura 2, a) y el
tacón de torque (figura 2, b). Como se aprecia, en ambos casos
se someten a fuerzas de compresión los nervios (sentido
vertical). En el caso del tacón de torque, esta misma fuerza
provoca la deflexión del nervio inclinado, de mayor longitud y
la fuerza de rozamiento evita el deslizamiento del nervio
respecto al suelo y por ende provoca la rotación del pie.
Fig. 2. Modelo físico de cargas de: a) suela del calzado rústico, b) disposi-
tivo ortopédico Tacón de Torque.
Como es conocido, las suelas de calzado poseen buena
flexibilidad, elevada resistencia a la fatiga, a la abrasión y al
desgarro. Con el estudio de los aditivos que conforman el
sistema de vulcanización se puede ajustar las propiedades
mecánicas al Tacón de Torque. [5]
En el desarrollo de la formulación se consideraron las
siguientes propiedades: dureza, resistencia a la tracción (RT),
módulo (E), resistencia al desgarro (RD), a la abrasión (IRA),
a la fatiga (RF) y el tiempo de cura. La dureza se midió con un
durómetro Shore A (ISO 868-98), mientras que los ensayos de
tracción y módulo se desarrollaron en la máquina de tracción
VEB Thüvinger Industriewerk Ravenstein (NC 262: 2003); la
resistencia al desgarro se determinó también en dicha
máquina, usando “piezas en pantalón” (NC ISO 34-1: 2003).
En las pruebas de desgaste, se utilizó un abrasómetro VEB
Thüvinger Indusriewenk (NC ISO 4649: 2003). Por último, la
prueba de fatiga se realizó en un flexómetro tipo Mattia
(ASTM 430-59). En todos los casos se utilizó un número de
réplicas igual a tres, en consecuencia con los criterios
existentes al respecto. Como mezcla de referencia para medir
la calidad de los compuestos, se usa la propuesta por la NC
ISO 4649: 2003 para la evaluación de compuestos.
En un segundo momento, se analizaron las dimensiones
del diseño que eran necesario modificar para lograr: su
fabricación en Cuba e incrementar el rango aplicación (peso
del paciente). La información referente a las modificaciones
de las dimensiones del diseño está sujeta al proceso de registro
en la Oficina Cubana de Propiedad Industrial (OCPI), por lo
Para caracterizar el comportamiento mediante el MEF de
estos materiales, se emplean fundamentalmente los mod
que el autor se limita a mostrar los resultados de la
comprobación del análisis de tensiones y deformaciones.
elos
par
rvios inclinados se flexionan
pro
a
las
enieriles. En el presente trabajo se
em
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
A partir spondiente al
diseño experimental para mezclas, se desarrollaron diez
for
, se empleó el modelo estadístico de
me
xxxbx +(1)
donde: b1, b2, b3, b12, b13, b23, b123 son los co ntes
de ajuste del modelo
aditivos del sistema de
cánicas previamente definidas.
En la s para
el desarrollo de compuestos a partir de las normas, y de las
exi
a materiales hiperelásticos de Mooney-Rivlin [6] y de
Ogden [7]. Cada material posee diferentes contantes de
modelos, según sea el caso; y para su determinación, el autor
desarrolló un procedimiento. [5]
En la comprobación del diseño se definieron dos etapas de
trabajo. Una primera donde los ne
vocando la rotación del pie, y otra donde el resto de los
elementos del mismo soportan el resto del peso del paciente.
Se establecieron 3 condiciones de contorno al modelo, de
forma tal que se puedan estudiar las situaciones más severas
que puede estar sometido el dispositivo ortopédico. En el
presente trabajo solo se mostrarán los resultados de la
situación 1, la que establece que: el efecto de la fricción
garantiza que no ocurra deslizamiento entre las superficies de
los nervios inclinados y el suelo, y el pie rotará producto del
giro del Tacón de Torque.
En la actualidad es común el empleo de las TICs en la
solución de problemas ing
plearon los software Statgraphics como herramienta para el
procesamiento de los resultados experimentales del desarrollo
del material elastomércio, el SolidWorks y CosmosWorks
como herramientas de cálculo ingenieril mediante el Método
de Elementos Finitos (MEF).
de la matriz experimental corre
mulaciones correspondientes a las diez corridas del modelo
siguiendo el orden de mezclado de los elementos establecido
en la NC 346 2004.
Una vez realizadas las corridas experimentales de las
propiedades mecánicas
zclas del tipo Simplex Centroid Cúbico Especial, según la
ecuación 1.
31132112332211
...
...
xb
xxbxxbxbxbxbY
+
+++++=
3211233223 eficie
x1, x2 y x3.las variables independientes analizadas, en
nuestro caso los
vulcanización.
Y, la variable dependiente, para este análisis las
propiedades me
tabla 1 se establecen los parámetros adecuado
gencias de las propiedades del material del Tacón de
Torque [5].
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Tabla 1 Rango de valores empleados en la obtención de la nueva for-
mulación.
Propiedad Rango
D
R
Módulo de elasticidad (E)
Resistencia al desgarre (RD)
cia a la abrasión (IRA)
3,55 a 4,6 MPa
M N/mm
iclos
ureza
esistencia a la tracción (RT) 55 a 65,5 Shore A.
Mayor 6,4 MPa
Resisten
Resistencia a la fatiga (RF)
ayor 9,6
Mayor 110%.
Mayor 130 000 c
De la superposición de
es e
las isolínea y
si stablecidas de
m anza el balanc s
las
s de cada propiedad,
guiendo las restriccion
ezclado en la que se alc , se obtiene la zona
e adecuado entre toda
propiedades, haciendo énfasis en la resistencia a la fatiga.
(zona roja de la figura 3). Las formulaciones dentro de esta
zona poseen las propiedades físico-mecánicas requeridas por
el Tacón de Torque, así como una adecuada vida de servicio.
Además de este resultado, se obtuvo la relación existente entre
los aditivos estudiados y cada propiedad mecánica.
Fig. 3. Superposición de los diagramas de isolíneas, en la zona roja se
encuentra el balance adecuado entre las propiedades mecánicas.
r
la co
En la primera etapa del funcionamiento del tacón de
torq
an sobre las superficies del tacón de
torque para la segunda etapa de la situación 1.
R
Se seleccionó una formulación y se hace necesario realiza
mprobación del diseño con este material.
ue, se obtuvo que para alcanzar la deformación máxima de
los nervios inclinados, el modelo requiere una fuerza en cada
nervio de 67,5 N. Al multiplicar estos valores por la cantidad
de nervios inclinados (5) se obtiene que para que gire el
modelo modificado se requiere una fuerza de 337,5 N. En la
tabla 2 se muestran los valores de las fuerzas que se aplicaron
en las superficies para la modelación de la segunda etapa,
donde Fp es la fuerza producto del peso del niño, Fm es la
fuerza que actúa en la superficie de los nervios inclinados, Fn
y Fc son las fuerzas que actúan sobre los nervios de apoyo y el
circulo central respectivamente.
Tabla 2 Valores de fuerzas que actú
ango de peso 3 × Fp (N) Fm (N) Fn (N) Fc (N)
M o 20,42 ínim 375 337,5 3,42
Máximo 1200 337,5 78,59 469,67
Para determin ore n y Fc, primer se
ca a el valor la fuerza (Fa) que actúa sobre los elementos de
apo
ar los val s de F amente
lcul
yo (nervios de apoyo y el círculo central), según:
FmFp=Fa
−
×
3 (2)
La Fuerza Fa s nte manera: e descompone de la siguie
Fc+Fn=Fa
×
5 (3)
Luego se deter (Pa) que actúa
sobre las superfic mina el valor de la presión
ies de apoyo del tacón:
Ac+An
Fa
=Pa ×5 (4)
donde: An es e contacto de
de los nervios de apoyo con el suelo.
Finalm
Fn y Fc se
el área de la superficie d uno
Ac es el área de la superficie de contacto del
círculo central con el suelo.
ente, se pueden obtener los valores de las fuerzas
gún las ecuaciones 5 y 6.
AnP=Fn
×
(5)
AcP=Fc
×
(6)
Al aplica n el mod
se obtiene u 5,583 M
ubi
r el valor de peso mínimo (375 N), e elo
na tensión equivalente máxima de Pa,
cada en el extremo superior de los nervios inclinados. Los
elementos de apoyo están sometidos a una tensión equivalente
inferior a 1 MPa y no experimentan deformaciones significa-
tivas.
Fig. 4. Distribución de las tensiones en la situación 1 correspondiente al
peso mínimo del paciente en el Modelo.
En la figu r de carga, el
modelo resiste sin dificultades la acción de las cargas, para
ra 4 se observa que para este valo
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4
una
s a los obtenidos
cua
tensión máxima de 6,398 MPa. El valor del límite de
rotura es inferior al del material (7,4 MPa), por lo que la
pieza trabaja con un coeficiente de seguridad de 1,20. Las
tensiones en el resto del volumen de los nervios inclinados
tienen un valor aproximado de 3,7 MPa.
Para la condición extrema, peso máximo, en el modelo
se obtienen valores de tensión similare
ndo se aplica el peso mínimo. En la figura 5 se observa
que los nervios de apoyo son capaces de soportar la acción
de la fuerza sin deformarse; con un coeficiente de seguridad
para la pieza de 1,10.
Fig. 5. Distribución de las tensiones en la situación 1 correspondiente al
peso máximo del paciente en el Modelo.
El efecto c ispositivo or-
topédico, por lo que es importante analizar el desplazamien-
to
orrector se logra cuando gira el d
angular del Tacón de Torque. Se obtiene un desplaza-
miento lineal en los vértices de la base de 17,60 mm (figura
6). Este resultado se comparó con el desplazamiento de un
prototipo de dispositivo.
Fig 6. Desplazamiento del Tacón de Torque: Modelo Modificado.
a-
ra este fin y se aplicaron los valores de cargas estáticas
cor
puede
cal
IV. CONCLUSIONES
Al comparar el valor de la rotación real y teórica, se ob-
tien
n desarrolla pa-
ra
de Torque diseñado es capaz de rotar, y por
con
REFERENCIAS
1. Martín, M. (2000). Los p oblemas éticos en la investigación sobre las
2.
5.
6.
: Raide Alfonso González Carbonell
:
z@reduc.edu.cu
En el experimento se utilizó un dispositivo diseñado p
respondientes a los pesos de niños de 3 y 9 años. Estas
cargas se afectaron por el coeficiente dinámico de la marcha
(3 veces el peso). Se obtuvo una rotación real de 16º.
Con el empleo de las leyes de la trigonometría, se
cular la rotación teórica. Se utilizaron como datos: el
desplazamiento de 17,6 mm (resultado del análisis del tacón
modificado mediante el MEF), y la longitud del segmento
comprendido entre el vértice y el centro del círculo central
(62,23 mm), se obtuvo una rotación teórica de 15,91º.
e una diferencia entre ambos valores de 0,56%, la cual
no representa una diferencia considerable.
Se garantiza resistencia de la formulació
el Tacón de Torque y del diseño, para los valores de
carga definidos en el modelo, con un coeficiente de seguri-
dad de 1,10.
El Tacón
siguiente corregir la deformación de la torsión de la
tibia.
r
vacunas. Ponencia presentada en III Seminario-taller sobre el enfoque
CTS en la enseñanza de la ciencia y la tecnología. Cátedra Ciencia,
Tecnología, Sociedad e Innovación, El Salvador.
Cabal, C. (2002). Biofísica Médica. En F. Castro (Ed.), Cuba, Amanecer
del 3er Mundo. Ciencia, Tecnología y Sociedad. Barcelona: Debate.
3. Díaz Problemas ortopédicos at http://www.tupediatra.com/
temas/tema73.htm
4. Calzadilla, V., Castillo, I., et.al. (2002). Desviaciones torsionales de los
miembros inferiores en niños y adolescentes. Revista Cubana de
Medicina General Integral 10(5).
González, R.A. (2008). Tacón de Torque para uso Ortopédico:
Desarrollo de un nuevo material para su fabricación. Tesis de
Doctorado no publicada. UCLV, Santa Clara, Cuba
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elasticity theory. Journal of Ration. Mech. Anal., 2, 53–81.
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to experimental data. Computational Mechanics, 34(2004), 484–502.
Autor
Instituto Universidad de Camagüey ½
Calle: Circunvalación Norte, Km 5
:
Ciudad Camagüey
País: Cuba le
E-mail: raide.gonza
IFMBE_Proceedings_CLAIB2011