EVOLUCIÓN EN EL DISEÑO DE LA HERRAMIENTA PARA ELMONTAJE DE UN CLAVO INTRAMEDULAR EN FRACTURAS

DIAFISIARIAS DEL PRIMER HUESO METACARPIANO

Y. Gonzálezº, O. Falcón*, G. Contrerasº, J. Bendayánº

* Escuela de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad Central de Venezuela, P.O. Box 48222, Caracas 1050-A, Venezuela.

º Centro de Bioingeniería, Facultad de Ingeniería, Universidad Central de Venezuela, P.O. Box 50361, Caracas 1050-A,Venezuela.

email: yalgo@cantv.net

RESUMEN

En este trabajo se presentan los diseños del instrumentalquirúrgico necesario para facilitar la inserción y posteriorbloqueo de un clavo intramedular a utilizarse en cirugíaspara reducir y estabilizar fracturas diafisiarias en elprimer hueso metacarpiano. El dimensionamiento y laconfiguración geométrica de las partes del instrumentoha sido establecida en cada prototipo, en función de lageometría del dispositivo de fijación, de la ergonomía yde la alineación y estabilidad inherente al acopleherramienta-clavo. Su modelado tridimensional se realizóutilizando programas especializados como ProEngineer[6] y Mechanical Desktop [5]. Se procedió a fabricar enaluminio el primer prototipo a escala mayor tanto de laherramienta como del dispositivo, realizándose luego elensayo In Vitro que permitió obtener los resultadosiniciales por medio de los cuales se realizaron lasmodificaciones pertinentes.

Palabras clave: fractura diafisiaria, primermetacarpiano, diseño, proceso de fabricación.

1. INTRODUCCIÓN

Las fracturas de la mano son sumamente comunes.Debido a la importancia intrínseca de su función y alpapel que juega el pulgar en la ejecución de la misma, esprimordial para el cirujano ortopédico estabilizar lafractura previniendo la rotación por consideracionesfuncionales y estéticas. Así un tratamiento será eficazcuando se logra el equilibrio entre la necesidad de unafunción efectiva y el aspecto normal de la mano. Por lotanto, el objetivo del tratamiento de la fracturas en losmetacarpianos, aparte de la preservación de los arcoslongitudinales y transversos y prevención contradeformidad rotatoria, será el de ofrecer un aspecto lo masnormal posible de la mano con un tiempo total deincapacidad relativamente corto. [1]Actualmente en Venezuela se está incursionando en elárea de la bioingeniería, muchas son las propuestas detrabajo dirigidas a la ejecución de proyectos con el fin dediseñar y fabricar dispositivos a bajo costo para el uso de

la medicina venezolana, varios de ellos son innovadoresy representan un gran avance en el desarrollo científico ytecnológico del país; además, son capaces de competir encalidad con dispositivos similares creados en el mercadointernacional.Los progresos alcanzados están dirigidos a entender,controlar y reforzar los aspectos biológicos en la curaciónde la fractura donde el entorno mecánico siempre será unelemento crucial. El manejo clínico de las fracturas debeinfluenciar las condiciones biológicas y mecánicas paraque la capacidad original de soporte de carga del huesose restaure tan rápidamente como sea posible; laproporción en que dicha capacidad es restaurada estaestrechamente ligada con el método de estabilización dela fractura. [1]Es así como surge la necesidad de crear un instrumentoversátil, cuya aplicación permita el manejo de un clavointramedular con bloqueo al momento de su colocaciónpara el tratamiento de fracturas diafisiarias ocurridas enel metacarpiano del pulgar. El desarrollo de estainvestigación, se encuentra en su tercera etapa y suconcepción se ha basado en información bibliográficaespecializada en el área de traumatología, en medicionesgeométricas obtenidas de la simulación computacionaldel primer metacarpiano y demás componentes de lacolumna osteoarticular del pulgar, así como también delas consideraciones aportadas por doctores especialistasen el área, adscrito al Centro de Bioingeniería.

2. METODOLOGÍA

2.1. Reconstrucción del primer metacarpiano

Para configurar geométricamente el dispositivo defijación de manera que se adaptara a la trayectoria delcanal medular y establecer las posibles zonas de bloqueo,fue necesario simular en 3D la forma y dimensiones delprimer metacarpiano mediante el uso de tomografíasaxiales computarizadas (fig. 1 y 2).En la reconstrucción de este hueso se utilizaron dosprogramas para diseño de sólidos tridimensionalesProEngineer y Mechanical Desktop.

Fig.1 Simulación de la reconstrucción del primer hueso metacarpiano.(software: Mechanical Desktop y ProEngineer)

Fig.2 Detalle de un corte transversal hecho al metacarpiano del pulgar.Nótese en el interior parte del canal medular. (software: ProEngineer)

2.2. Modelado del dispositivo de fijación

Una vez obtenido el sólido tridimensional del pulgar, seprocedió a tomar ciertas consideraciones y a realizar elcálculo aproximado de las dimensiones del hueso para eldiseño del clavo intramedular, cuya configuraciónproporcionó los principios básicos para el modelado de laherramienta.Entre las mediciones tomadas tenemos: altura promedioy tamaño del área transversal más angosta del canalmedular.En cuanto a las consideraciones más importantestenemos: zona de inserción del clavo, ligamentos ytendones asociados a dicha zona, geometría básica de lapunta, cabeza y trayectoria del eje longitudinal del clavo,material de fabricación, etc.En la fig. 3 se muestran dos de los diseños del sistemaintramedular, siendo el segundo el más reciente el cualesta conformado por dos orificios transversales para subloqueo distal y proximal en el hueso y una cabeza conun agujero ciego y muesca colateral para el acople de laherramienta; esta combinación le proporciona al sistemaquirúrgico la estabilidad y agarre necesario para insertary fijar el clavo en la médula del hueso. Por otro lado, eldispositivo cuenta con un ángulo en su geometría quefacilita su adaptabilidad a la forma del interior del huesocuando el clavo pasa a través de la ranura de inserción.

a b c

Fig. 3 Últimos diseños del dispositivo de fijación con bloqueo para eltratamiento de fracturas diafisiarias en el metacarpiano del pulgar.Nótese el detalle de la cabeza del segundo prototipo.(software: ProEngineer)

Fig. 4 Vista tridimensional del ensamble del clavo en el canal medulardel hueso. (software: ProEngineer)

2.3. Diseños preliminares del instrumental deinserción

Para el diseño de las partes que conforman laherramienta, se establecieron algunos criteriosfundamentales para asegurar el correcto desempeño de lamisma; como ejemplo de estos tenemos: partes congeometrías sencillas, piezas adaptadas a losrequerimientos de uso, geometrías que ofrezcan unaresistencia mecánica acorde con las solicitaciones a lascuales van a ser sometidas, uso de materialesbiocompatibles y resistentes, piezas que permitan a laherramienta tener el tamaño necesario para el manejo deldispositivo de fijación, facilidad de fabricación, diseñode piezas ergonómicas y como punto más importante, laestabilidad mecánica inherente a la unión de las piezasque conforman el instrumental; ya que de ello depende lacorrecta inserción del clavo y la alineación de losorificios guía de la herramienta con los agujeros delclavo donde se introducirán los tornillos de fijación.Actualmente, se trabaja en la fase de diseño yconstrucción de los prototipos propuestos del instrumento(fig. 5 y 8), los cuales fueron realizados tomando encuenta ciertas características comunes a otrasherramientas distribuidas por casas comerciales para elmanejo de dispositivos intramedulares [3] y [4].

2.3.1 Diseño, construcción y ensayo experimental delprimer prototipo

El diseño del primer modelo consta de tres partesfundamentales las cuales, unidas entre sí, conforman laestructura del instrumental de inserción.En primer lugar tenemos al mango direccional (fig. 5.a)

el cual juega un papel importante dentro de las funcionesque se espera cumpla la herramienta, por ser la pieza queguiará al cirujano al momento de introducir el tornilloque fijará al dispositivo una vez clocado en el canalmedular; en tal sentido y como se mencionóanteriormente, su correcta disposición con respecto alorificio del bloqueo es imprescindible por lo que se debeasegurar en todo momento que no exista movimientorelativo alguno entre las partes del instrumento quecomprometan su estabilidad. Esta función la cumple elmango de inserción (fig. 5.b), cuyo eje sirve comoeslabón de acople entre las piezas del sistema quirúrgicoy se conecta a la cabeza del clavo mediante una uniónroscada. Por último tenemos al conector (fig. 5.c), cuyafunción es la de ensamblar el extremo posterior del clavoal mango direccional.Esta configuración esta basada en el primer modelo declavo mostrado en este trabajo (fig. 3.a), donde la entallahecha en la cabeza del clavotiene forma de cruz canalada.

Se construyeron las primeras piezas del prototipo enescala 3:1 (fig. 6) para la realización de ensayosexperimentales donde se evaluó el comportamiento de laherramienta durante el proceso de inserción del clavo.Las pruebas se realizaron utilizando un modelo del clavohecho en aluminio y una copia experimental del pulgarfabricado en resina polyester preacelerada con canalmedular a base de poliuretano (fig. 7.a). Con losresultados obtenidos, se efectuaron las modificacionespertinentes a fin de mejorar el diseño y la funcionalidadde la herramienta y del clavo.

a b

c d

Fig. 7 Ensayo experimental realizado al sistema. a) componentes delensayo, b) simulación del proceso de inserción, c) colocación del clavointramedular, d) vista de la cabeza del clavo una vez introducido.

2.3.2 Diseño del segundo prototipo

En función de los resultados obtenidos mediante elensayo In Vitro y de las recomendaciones aportadas pordoctores especialistas a lo largo del desarrollo de estetrabajo, se han realizado modificaciones al instrumentalcon el objeto de mejorar su funcionalidad, aspectogeométrico y agregar otras piezas que proporcionenmayor estabilidad y una mejor alineación de laherramienta con el dispositivo de fijación.El segundo modelo propuesto, conserva las partes básicasmostradas en el prototipo anterior, habiéndose agregadouna guía cilíndrica y el soporte (fig. 8). La primera fuecreada con el propósito de precisar aún más los orificiospara el bloqueo del clavo, es un cilindro con agujeroconcéntrico pasante de menor diámetro que sirve paraintroducir la broca del taladro que genera el agujero basepara el roscado del tornillo de fijación. Una vez tallado elagujero base en el hueso, se extrae la guía cilíndrica delmango direccional y a través del orificio que queda en élse hace pasar el instrumento para fijar el tornillo en elhueso. La función del soporte consiste en proveer un

Fig. 6 Vista tridimensional de las piezas fundamentales que conforman elsistema quirúrgico después del proceso de fabricación del primer prototipo.

a b cFig.5 Modelado en 3D de las partes del primer modelo deherramienta., 5.a) mango direccional, 5.b) mango de insercióncon eje roscado, 5.c) conector entre el clavo y la herramienta.(Software: ProEngineer).

,

punto de apoyo para darle firmeza al mango direccionalal momento de realizar el bloqueo.

d

a b c e

Fig. 8 Vista tridimensional de las piezas que conforman el más recientemodelo de la herramienta. a) conector entre el clavo y la herramienta, b)mango de inserción, c) mango direccional, d) guía cilíndrica, e) soporte.(software: ProEngineer)

Fig. 9 Ensamble del sistema quirúrgico completo (Herramienta y clavointramedular).

2.4. Materiales propuestos para la construcción finalde la herramienta

Una vez obtenido el modelo final del instrumental deinserción, hay que tomar en cuenta algunos aspectos almomento de escoger el material de fabricación de laspiezas, como por ejemplo: proceso de fabricación, costo,uso de la pieza, normas, etc.Por ser piezas utilizadas en el área de traumatología, esindispensable que los materiales usados seanbiocompatibles y resistentes. En tal sentido para laconstrucción de las piezas de la herramienta que entranen contacto temporal con el tejido se propone el uso deun acero inoxidable AISI 420 (210 HB, Sƒ: 620 N/mm2,St: 670 N/mm2, ñ: 7.75) tratable térmicamente, lo que setraduce en una mejor resistencia mecánica a ladeformación de dichas piezas. Con respecto al mangodireccional, se utilizará una aleación de aluminio,alternativa adecuada para su construcción.

3. RESULTADOSPosterior a la fabricación de las partes que conforman elprimer prototipo de la herramienta y después de la

realización de los ensayos experimentales, se hanobtenido los siguientes resultados:• El proceso de fabricación del mango direccionalresultó ser complejo por ser un sólido compuesto, esdecir, un sólido de revolución incrustado en otro sólidoformado por caras planas. (fig. 5.a)• Las partes de la herramienta se mantuvieron establesdurante la inserción del clavo en el ensayo realizado.• La empuñadura del mango de inserción resultó serpoco ergonómica.

4. CONCLUSIÓN• La configuración geométrica propuesta para laherramienta resultó ser funcional para la inserción delsistema intramedular, es decir; mostró una estructuraresistente con las dimensiones que en general, fueronadecuadas para el manejo y guía del clavo durante de surecorrido a través del canal medular del primer huesometacarpiano.• Se hace necesario modificar la empuñadura delmango de inserción de manera de obtener una geometríamás ergonómica.• Se observó que los acoples de las piezas queestructuran el cuerpo de la herramienta fueronsatisfactorios durante el ensayo experimental, lo quepermite aseverar que el mango direccional conservó entodo momento su posición con relación al resto delsistema.

5. TRABAJO FUTURO• Se requiere construir el segundo modelo con lasdimensiones reales de diseño y con los materialesestudiados para su fabricación; para así comprobar laefectividad en las uniones, prestando especial atención enel conector entre el clavo y la herramienta.• Debido a que en escala real, el tamaño del diámetrodel clavo no sobrepasa los 4.5mm., se hace necesario uncambio en el diseño de las muescas del conector; debidoa que la concepción en forma de cruz que se propusoanteriormente, deja un espesor muy pequeño de paredque podría acarrear problemas en los dientes que seforman después de la fabricación de la entalla en cruz.• Se requiere la realización de más ensayos

experimentales que argumenten la funcionalidad yestabilidad del sistema.

6. REFERENCIAS[1] BROWNER, Bruce D., JUPITER, Jesse B., LEVINE, Alan M.,Skeletal Trauma, Volumen II, 2da edición, pág. 1225 al 2438, 1998.[2] KAPANDJI, A. I.; “Fisiología Articular”, Tomo I, MiembroSuperior, 5ta edición, pág. 298, 1998.[3] http://tristan.membrane.com/aona/tech/ortho/index.html. AONA[4] ZMS Intramedullary fixation. Catálogo.[5] Mechanical Desktop, “Tutorial and user´s 1998”. Ed Autodesk, Inc.U.S.A. 592 p.[6] Manual ProEngineer-Release, 1998.

EVOLUTION IN THE DESIGN OF THE TOOL FOR THEPLACEMENT OF AN INTRAMEDULLARY NAIL FOR

TREATMENT OF FIRST METACARPAL BONEDIAPHYSARIES FRACTURES

ABSTRACT

This work shows some advances in the surgical tool design for a simple and easy placement of a lockedintramedullar system to be used in surgeries to reduce and stabilize the first metacarpal bone diaphysariesfractures. The instrument geometric configuration has been established in each prototype in function of thegeometry fixation device, ergonomics aspects and the alignment and stability related with tool-nail assembly.The three-dimensional modeling was carried out using specialized programs as ProEngineer and MechanicalDesktop. The tool model and nail model were built in aluminum to scale 3:1 to be tested In Vitro, the initialresults allowed to perform some modifications focused to optimize the prototype.

Keywords: diaphysaries fractures, design, factory process.