Prótesis impresa en 3D para la rehabilitación de amputaciones digitales: presentación de un diseño mecánico

RICARDO GALÁN S., MARÍA JOSÉ VERGARA R.

Resumen

Resumen

Objetivos: Presentar el diseño de una prótesis digital mecánica impresa en 3D, creada por los investigadores y comparar la funcionalidad de la mano con esta versus con una prótesis prediseñada disponible online y sin estas por medio del cuestionario MHQ “Michigan Hand Outcomes Questionnaire. Materiales y métodos: reporte de dos casos de pacientes del Hospital Militar  Central con amputaciones digitales  parciales usuarios previos de prótesis mecánicas realizadas a partir del diseño (knicks prosthetics), a quienes se les realizó una prótesis mecánica original de los autores y se les evaluó la utilidad y satisfacción de ambas prótesis comparando con la ausencia de estas, utilizando el cuestionario versión en español para Colombia del  “Michigan Hand Outcomes Questionnaire” (MHQ). Resultados: La evaluación (MHQ) arrojó un resultado para el sujeto 1 de 35.88 sin prótesis;  64,16 con el uso de la prótesis A y 68,54 con la prótesis B, al evaluar la movilidad para actividades de la vida diaria de 49,3 sin prótesis, 72,2 con el uso de la prótesis A y 80 con el uso de la prótesis B. Para el sujeto 2 los  resultados fueron similares de 39,9 sin prótesis, 62,5 con el uso de la prótesis A y 67,1 con la prótesis B. El mayor cambio se evidenció en  las actividades de la vida diaria con un resultado de 43 sin prótesis, 72  con el uso de la prótesis A y 82 con el uso de la prótesis B. En la escala de estética se evidenció para el sujeto 1 un cambio en la escala de 0 a 93,75 con el uso de ambas prótesis y en el sujeto 2 un cambio de 44  puntos a 100 puntos posterior al uso de ambas prótesis. Conclusiones: Se considera que estas prótesis adaptables representan una opción no quirúrgica de bajo costo, de fácil implementación, útil y muy justables a las condiciones particulares de cada paciente, lo que representa potenciales cambios en su calidad de vida, desempeño en las labores diarias y percepción estética. Además, vale la pena resalta la importancia de crear diseños antropométricos teniendo en cuenta la “cósmesis” de la prótesis para disminuir el rechazo y aumentar la satisfacción del paciente en el momento de la evaluación estética.

Abstract
Objectives: We present the design of a digital mechanical prosthesis printed in 3D, created by the researchers and compare the functionality of the hand with this versus a predesigned prosthesis available online through the MHQ questionnaire «Michigan Hand Outcomes Questionnaire. Materials and method: We report two cases in patients from the Hospital Militar Central  that was selected with partial digital amputations previous users of mechanical prostheses made from the design (knicks prosthetics). To whom they were made an original mechanical prosthesis of the authors and evaluated the usefulness and satisfaction of both prosthesis compared to the absence of these, using the questionnaire version in Spanish for Colombia of the    «Michigan Hand Outcomes Questionnaire» (MHQ). Results: The evaluation (MHQ) yielded a result for subject 1 of 35.88 without prosthesis, 64.16 with the use of prosthesis A and 68.54 with prosthesis B, when evaluating mobility for activities of daily living) of 49.3 without prosthesis, 72.2 with the use of prosthesis A and 80 with the use of prosthesis B. For subject 2 the results were similar of 39.9 without prosthesis, 62.5 with the use of prosthesis A and 67.1 with prosthesis B. The biggest change was showed in the activities of daily life with a result of 43 without prosthesis, 72 with the use of prosthesis A and 82  with the use of prosthesis B. On the scale of aesthetics was shown for subject 1 a change in the scale from 0 to 93.75 with the use of both prostheses and in subject 2 a change of 44 points to 100 points after the use of both prostheses. Conclusions: We consider that these adaptable prostheses represent a non-surgical option of low cost, easy to implement, useful and easily adjustable to the particular conditions of each patient which represents potential changes in their quality of life, performance  in daily tasks and aesthetic perception. In addition, it is worth noting the importance of creating anthropometric designs taking into account the «cósmesis» of the prosthesis to reduce rejection and increase patient satisfaction at the time of aesthetic evaluation.

Introducción

Las amputaciones digitales totales o parciales son traumas comunes de la extremidad superior. Estas pueden ser secundarias a heridas, ausencias congénitas o malformaciones. 1 La pérdida de un dedo de la mano tiene repercusiones en la función, específicamente en la disminución de la fuerza para el agarre y la realización de la pinza, además de tener consecuencias a  nivel psicológico y social2. Las amputaciones parciales o totales de  dedos de la mano en Estados Unidos representan hasta 1/3 de todos los traumas en el ámbito laboral3. El 40 % de las lesiones de la mano producidas por accidentes laborales o de trabajo, comprometen en mayor porcentaje los dedos índice y pulgar.2,3 En Colombia, si bien no hay datos precisos de amputaciones a nivel de miembro superior o mano, el DANE reporta que el país tiene el índice de discapacidad permanente más alto de Latinoamérica después de Brasil, con una incidencia de 200 a 300 personas amputadas (de cualquier extremidad) por cada 100.000 habitantes es decir, un 5% a 10% de todas las discapacidades.4 Dentro de las opciones para reconstrucción y rehabilitación de las extremidades las prótesis son una opción no quirúrgica viable en la cual es necesario tener en cuenta la apariencia o diseño antropomórfico, una adecuada rehabilitación de la disfunción y una satisfacción psicológica del paciente.3 Las prótesis que restablecen la funcionalidad de la mano se conocen como activas y se clasifican de  acuerdo con el tipo de accionamiento del usuario, en mecánicas, mioeléctricas e híbridas.5 Sin embargo, en el caso específico de las prótesis digitales, la gran mayoría de los diseños disponibles cumplen una función primordialmente estética con una movilidad limitada cuyo oficio se centra únicamente en el agarre de fuerza dejando por fuera el agarre de precisión; esto dado por la limitada movilidad entre las piezas que componen las prótesis, las cuales no semejan los arcos de movimientos normales de las articulaciones interfalángicas4,6-8 (Figura 1). 

La impresión 3D o “additive manufacturing” (AM), al utilizar la superposición de capas delgadas de plástico líquido basado en un diseño digital, permite la creación de piezas complejas a partir del modelo matemático creado por los programas de diseño como computer aid design (CAD) en periodos relativamente cortos de tiempo. 9-11 Esto abre la posibilidad para diseñar piezas únicas personalizadas y adaptables a cada individuo las cuales pueden ser articuladas unas con otras y modificadas según la necesidades tanto de movimiento como de apariencia requeridas.12,13Además de ser producidas en materiales económicos lo que permite mejoras inmediatas y reproducibles.13 Entre estos el (ABS) acrilonitrilo butadieno estireno, derivado del petróleo, (PLA) ácido poliláctico, biodegradable y vegetal y dentro de los materiales flexibles (FILAFLEX) termoplástico elastómero que permiten mayores rangos de movilidad.5,13 Puntualmente en el caso de las prótesis la investigación y creación de estas se ha centrado en grupos individuales de diseñadores, ingenieros y pequeños grupos médicos que lideran la investigación en el tema. Por esta razón en este estudio se creó un diseño de prótesis digital mecánico impreso en 3D basado en las ventajas y desventajas de los diseños de prótesis digitales  ya disponibles en el mercado con el fin de crear mejoras teniendo en cuenta las demandas tanto funcionales como estéticas de los usuarios. Este y la prótesis previa utilizada por los pacientes fueron evaluados con la escala de  funcionalidad en versión en español para Colombia del “Michigan Hand Outcomes Questionnaire” (MHQ) con el fin de analizar su impacto. 14

Metodología
Sujeto

Para el estudio de las prótesis se tomó como sujetos dos pacientes masculinos del Hospital Militar Central de Bogotá, voluntarios de 19 y 21 años respectivamente. Sujeto 1 con amputación en: primer dedo a nivel interfalángico, segundo dedo en el tercio medio de la falange proximal, tercer dedo a nivel del tercio medio de la falange distal y el cuarto dedo a nivel del  ercio medio de la falange media. Sujeto 2 con amputación en segundo, tercer, cuarto y quinto dedos a nivel del tercio medio falange proximal. Usuarios hace 2 meses de las prótesis basadas en el diseño online y modificadas en la Fundación Materialización 3D (fundación sin ánimo de lucro en Bogotá dedicada a la rehabilitación con prótesis impresas en 3D.) Materiales Los dos sujetos eran usuarios previos por un periodo  de 2 meses de las prótesis modificadas a partir de un diseño online Knicks Prosthetics15, el cual se encuentra disponible bajo licencia no comercial abierta para su implementación y reproducción) (Figura 2).  Este diseño consta de partes modeladas por separado, las cuales se articulan y son móviles a partir de una polea que, al  ser halada por una palanca a nivel de la muñeca, reproduce la flexión de esta generando la flexión  de las falanges medial y distal de la prótesis.Este diseño fue adaptado para las medidas específicas  del paciente e impreso en la Fundación Materialización 3D (Figuras 3 y 4) quienes realizaron como modificación más importante el cambio en la palanca,

n.

Para la impresión de esta prótesis el gasto fue de 40.000 pesos colombianos. 12.72 USD  (UTC 16.04.2019). El diseño de la prótesis B se realizó  teniendo en cuenta las ventajas y desventajas de las existentes en el  mercado para libre descarga disponibles en las plataformas  virtuales. Este se creó en solidworks diseñando segmentos rígidos, simulando la diáfisis de las falanges medial y distal (Figura 5), teniendo en cuenta  principalmente realizar un diseño más ligero, menos  mecánico en apariencia y que lograra  reproducir los rangos de flexión tanto de la interfalángica distal como  de la proximal. Además de permitir un agarre en pinza  gruesa y en lo posible fina. El diseño fue elaborado  creando un modelo antropométrico, tomando las medidas de las falanges contralaterales para un sujeto estándar de sexo masculino y extrapolando estas al diseño digital mecánico (Figuras 5 y 6). Este diseño mecánico se realizó con 3 falanges articuladas unidas a un “case” capuchón, ajustable al muñón las cuales se mueven por un sistema de polea o palanca inverso, que se puede fijar a nivel de un aro en forma de anillo en el segmento proximal del muñón o a la ortesis del dorso de la mano. El diseño del aro para ejercer la  palanca se creó con el fin de reproducir el movimiento de flexión tanto distal como a nivel de la  falange medial sin ejercer tracción sobre la muñeca y lograr un diseño más antropomórfico. El modelo 3D  (Figura 7) fue impreso en material rígido y el case impresoen filamento negro FLEX (termoplástico   elastómero) (Figura 8). Con estos diseños se realizó la evaluación de satisfacción y funcionalidad con (MHQ) sin el uso de la prótesis  y posteriormente con el uso de la prótesis A1 y A2 respectivamente para cada paciente (Figuras 9 y 10).

Recolección de datos

Los valores (tabla 1) de funcionalidad y satisfacción para la prótesis A y B fueron recolectados utilizando las escalas de (MHQ) Michigan Hand Outcome Questionnaire,14 instrumento diseñado para pacientes  con diversas patologías de la mano, utilizado ampliamente a nivel mundial para intervenciones en síndrome de túnel del carpo, reconstrucciones secundarias a  artritis reumatoide y quemaduras de la mano entre otras aplicaciones.  Consta de un cuestionario de 37 dominios distribuidos en seis subescalas: funcionamiento global,  actividades de la vida diaria, dolor, trabajo, estética y  satisfacción del paciente. Incluye respuestas de 1 a 5 que se transforman en puntos de 1 a 100. La validación de la versión en español para  Colombia se efectúo por el grupo de Cirugía Plástica, Reumatología y Rehabilitación  del Hospital Universitario San Vicente de Paúl en Medellín (HUSVP), Antioquia, Colombia. Publicado en el 2008. El cuestionario se aplicó inicialmente sin el uso de la prótesis para evaluar el estado de base y posteriormente  con el uso de las prótesis A y B respectivamente. 

Resultados
Ambas prótesis fueron probadas en condiciones iguales según las preguntas registradas en el MHQ, al utilizar la prótesis B con la palanca al nivel del aro sobre el  muñón, aunque se producía la flexión de la prótesis los sujetos referían inestabilidad para el movimiento, por lo  cual para realizar la comparación aislada del diseño a nivel de las  falanges de las prótesis, se utilizó el dispositivo ortésico que tenían los pacientes para evaluar las  posibles diferencias tanto en rangos de movilidad como percepción estética de los pacientes, obteniendo los resultados descritos en la (tabla 1). Tabla 1: se registran en orden los resultados obtenidos para cada sujeto sin el uso de prótesis, con el uso de  la prótesis A y con el uso de la prótesis B. el puntaje mas alto en la categoría de funcionamiento global donde se  evalúa la percepción en general de la mano fue obtenido con el uso de la prótesis B con un puntaje de 90 para el sujeto 1 y de 75 para el sujeto 2. En cuanto a las acciones  de la vida diaria donde se evalúan actividades como girar una perilla levantar una moneda o un vaso, el  primer sujeto asignó un puntaje de 49,3 al realizar estas  actividades sin prótesis y posteriormente obtuvo un aumento de 22 puntos con la prótesis A y 30,7 puntos con la prótesis B, esto obtenido en mayor medida dado que sin prótesis no le era posible realizar una pinza de presión suficiente para sostener un vaso, un sartén o girar una perilla, en el caso puntual de la prótesis dos al tener la falange distal en punta, el sujeto 1 pudo realizar una  pinza fina de agarre preciso para levantar una moneda  colocada sobre una mesa, lo cual explica el aumento en  el score. Resultados similares fueron observados para el segundo sujeto. 

En cuanto a la categoría de trabajo el cuestionario  tenía preguntas como: cuantas veces su trabajo se veía  afectado por la funcionalidad de la mano o si debía reducir  las jornadas laborales; para este caso el puntaje obtenido fue de 5 sin prótesis para el sujeto 1 y 25 para el sujeto 2, ambos con el uso de las prótesis obtuvieron un resultado de 60. Respecto al dolor, se evidenciaron resultados muy diferentes sin el uso de prótesis alguna  dado que el sujeto 1, presentaba 45 puntos al inicio secundario a hiperalgesia en diferentes puntos del muñón. Al usar cualquiera de las dos prótesis refería disminución de la hiperalgesia al evitar el roce con diferentes objetos, por lo cual puntuó 0 para dolor con ambas prótesis. Por el contrario, el  sujeto 2 refería no sentir dolor con el muñón expuesto, sin embargo, con el uso prolongado de ambas prótesis el plástico generaba presión y  dolor con un puntaje de 20 para prótesis A y 15 para la prótesis B. En cuanto a la estética vale la pena también  resaltar las diferencias encontradas, el sujeto 1 refería no estar satisfecho con la apariencia del muñón, en cambio con el uso de ambas prótesis asignó una puntuación de 93,75. Respecto a esta percepción se hacía énfasis en preferir la apariencia mecánica de las prótesis a tener descubierto el muñón, y en su vida diaria prefería responder preguntas acerca de la prótesis en vez del por qué de la amputación. Por otro lado, el sujeto B refería una satisfacción inicial de 44 sin  prótesis y un aumento a 100 con el uso de ambas prótesis. En cuanto a la satisfacción global, el puntaje aumentó de 44 a 79 con la prótesis A y a 87,5 con la prótesis B. Este segmento respondía a interrogantes como funcionamiento global  de la mano, apariencia y satisfacción en su día a día. Finalmente, el puntaje total para ambos sujetos pasó de un promedio de  37,89 sin el uso de prótesis a 65,52 para la prótesis A y 67,82 para la prótesis B. Obteniendo resultados más altos para el sujeto 1, probablemente secundario a la presencia de amputaciones a niveles más  distales que facilitan el desempeño global. Adicionalmente a los puntajes obtenidos en el score  se registraron en la tabla 2 los comentarios y percepciones de los sujetos con cada prótesis y los percibidos por los autores. 

Discusión
Los modelos propuestos demostraron una mejoría en la funcionalidad y percepción estética que fue objetivada a traves del MHQ, una escala validada para medir funcionalidad de la mano. La habilidad para reproducir  la anatomía digitalmente, diseñar y fabricar partes anatómicas en 3D transforma la  vida de las personas afectadas, así como se perciben y como se desarrollan en su entorno. Las prótesis impresas en tercera dimensión sin duda generan una alternativa rápida, reproducible y adaptable para los pacientes dado que la mayoría de las prótesis digitales disponibles son prótesis cuya función es estética y carecen de rangos de movilidad. Entre estos se  estacan los guantes de silicona adaptables unidos al muñón por succión, por medio de un vacío  entre el plástico y la piel manteniéndola en su posición16- 18. Además de las prótesis osteointegradas en las cuales el grupo de investigación ya ha desarrollado una que va fija al muñón de amputación a través de una placa en titanio que lleva en su extremo un imán que se adhiere a otro ubicado en la base de la prótesis elaborada en silicona. La Knicks Prosthetics y la mayoría de las mecánicas  cumplen con rangos de movilidad similares a los esperados, naturalmente con un diseño mecánico expuesto,  como ocurrió con las prótesis A y B.19,20 Al no ser antropomórficas, hace que se aumente la tasa de rechazo  por parte de los usuarios e incluso el entorno. Por otro lado, el peso de estas prótesis suele ser elevado superando el peso normal de la mano que oscila entre  400 +/- 90 g.7 Lo cual hace que también sea una causa de rechazo, en estos casos la prótesis A tenía un peso de 15g vs la prótesis B de 9g, el cual se podría disminuir  utilizando materiales semiflexibles o flexibles con menor cantidad de capas por  superficie de impresión. En cuanto a las pinzas, la de agarre y la de precisión  son las básicas mínimas requeridas hacer una pinza segura en la cual se combina pinza de agarre y fuerza aplicada, 21 estas fueron reproducibles con ambas prótesis,  sin embargo, el agarre aunque permitía sujetar objetos carecía de fuerza para realizar ciertos movimientos con los objetos en la mano como por ejemplo escribir. Por  lo cual sería necesario realizar una evaluación más detalladadel valor en fuerza que permite una de estas prótesis que debería acercarse a los 30 Newton que es el  valor de fuerza ejercida entre una pinza en la punta de los dedos. 20 Es por esto que se considera que la pinza  de agarre y precisión carece de fuerza, que  si bien logra  el desarrollo de actividades simples dentro de las labores cotidianas, no permite el proceso de actividades de precisión, evitando un reintegro favorable en caso de labores  donde se requiere motricidad fina para su desarrollo. Además, cabe resaltar la percepción estética referida por los pacientes, sugiriendo la importancia de crear diseños antropométricos teniendo en cuenta la “cósmesis” de la prótesis para disminuir las tasas de rechazo y aumentar la satisfacción de los pacientes. En la literatura se han encontrado grupos libres de investigación y trabajo al respecto, sin embargo en la literatura médica no hay estudios a mayor escala para evaluar los resultados obtenidos, por lo que este sugiere el impacto potencial de estas protesis y demuestra la necesidad de llevar acabo estos estudios. 

Conclusiones 
La amputación de uno o más dedos de la mano causa, además de la pérdida de la función en especial de la pinza de precisión y la pinza de agarre, un trauma psicológico que aflige al paciente y lo lleva en muchas ocasiones  a ocultar su mano por el temor de ser cuestionado sobre trauma y la discapacidad que le han producido. Es así, como existen un sinnúmero de prótesis cosméticas y algunas que producen movimiento tratando de suplir  hasta donde sea posible la función perdida con el trauma previo.22 Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología se han diseñado unas prótesis en impresión 3D que día tras día se han hecho más comunes dado su bajo  costo en la producción ya que logran al ser funcionales, recuperar de forma  arcial la pinza de precisión de los  dedos. Se considera que estas prótesis adaptables representan una opción no quirúrgica de bajo costo, de fácil implementación, útil y ajustada a las condiciones particulares de cada paciente lo que representa cambios positivos en su vida, desempeño en las labores diarias y percepción estética dado por la evaluación estimada por el paciente al utilizar la escala MHQ1. 

 

 

Palabras clave

amputación, dedo, rehabilitación, prótesis, impresión 3D.

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