Departamento de Ingeniería Biomédica

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https://hdl.handle.net/1992/52212

Encuentre en acceso abierto la producción académica, investigativa y de creación del Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad de los Andes.

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Acceso abierto
Biomechanical comparison between indoor and outdoor cycling focused on studies in real world scenarios
(Universidad de los Andes, 2023-12-11) Hinojosa Virviescas, Jorge Andrés; Argothy Bucheli, Rodrigo Esteban; Cifuentes De La Portilla, Christian Javier; 1032362385; Bigio Roitman, David; Barrero Malagón, Diana Yaquelin; Facultad de Ingeniería
Bike-Fitting optimizes cyclist-bicycle synergy, enhancing performance and reducing injury risk. It is traditionally performed in a motion laboratory. However, newer technologies, such as inertial sensors (IS) and long- range devices, allow the study and evaluation of conventional procedures performed inside the laboratory, such as a Bike-Fit, in outdoor environments that are closer to the riding settings of a cyclist. Therefore, the aim of this study was to determine the consistency low-limb joint kinematics and muscle activation patterns during cycling in outdoor environments and non- uniform surfaces in ten amateur cyclists (22.78 ± 1.43 years old, 167.13 ± 5.84 cm and 69.88 ± 11.61 kg). For this purpose, 3D kinematics of hip and knee and muscle activation patterns from Vastus Medialis and Gastrocnemius Medialis were collected using IS and surface electromyographic sensors, respectively, throughout one indoor and two outdoor tests. Kinematic and muscle activation differences were analyzed using separated one-way blocked ANOVAs. Significant differences were found for the knee range of motion (p < 0.05) and the respective area under the curve (p<0.001). Hip range of motion did not present significant differences but the respective area under the curve did (p<0.001). Muscle activation patterns for the Vastus Medialis and Gastrocnemius Medialis were significantly different (p<0.001) across the three tests and for all participants. Thus, outdoor cycling, especially on uneven surfaces, induces notable variations in lower-limb joint kinematics and muscle activation, highlighting the need to tailor Bike-Fit assessments for real-world conditions.
Acceso abierto
Computational model of the human foot for the simulation of the three rockers of human gait
(Universidad de los Andes, 2024-01-11) Yanguma Muñoz, Nicolás; Cifuentes De La Portilla, Christian Javier; 1032362385; Bayod López, Javier; Briceño Triana, Juan Carlos; Facultad de Ingeniería::Grupo de Ingenieria Biomédica
Traditional approaches to studying foot biomechanics, such as cadaveric models and force platforms, have inherent limitations. Computational models based on finite element analysis (FEM) offer a promising avenue for understanding internal tissue behavior. However, existing models often lack a comprehensive representation of the foot's dynamic nature. This master's thesis aims to overcome these limitations by proposing a comprehensive computational model that accurately simulates foot biomechanics during the gait stance period. The model will specifically focus on analyzing tension variations in soft tissues such as the plantar fascia and spring ligament. The outcomes are expected to provide valuable insights into the internal biomechanics of the foot, benefiting surgeons and researchers studying healthy, pathological, and surgical scenarios. The constructed FEM foot model comprises 26 bones with cortical and trabecular differences, cartilages, ligaments (such as the spring ligament, long plantar ligament, and short plantar ligament), plantar fascia, and various tendons (tibialis posterior, Achilles, and peroneus brevis). Linear and hyperplastic mechanical properties were considered for these tissues. The model's results, evaluated through maximum principal tension, were validated against clinical angles and compared with the literature's range of motion for foot joints. The biomechanical stress analysis revealed that the plantar fascia and spring ligament experience heightened tension during mid-stance and toe-off compared to heel-strike. Additionally, flatfoot conditions increased tension in evaluated soft tissues, while surgical scenarios contributed to tension reduction in these regions. In conclusion, this computational model offers valuable insights into the internal biomechanics of the foot, serving as a beneficial tool for surgeons and researchers studying various scenarios, from healthy to pathological and surgical conditions. The findings emphasize the active role of the plantar fascia and spring ligament, particularly during approximately 50% of the stance period when the plantar arch is deformed.
Acceso abierto
Desarrollo y validación de un dispositivo para la medición del nivel de ruido en Unidades de Cuidados Intensivos Neonatales (UCIN)
(Universidad de los Andes, 2023-01-30) Vargas Molina, Diana Lisbeth; Casas Villate, Miryam Patricia; Cifuentes De La Portilla, Christian Javier; Valderrama Manrique, Mario Andrés; 1032362385; 79693758; Segura Quijano, Fredy Enrique; López Gutiérrez, Catalina
Según el estándar internacional de la Academia Americana de Pediatría (AAP) y la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) los niveles de ruido en Unidades de Cuidados Intensivos Neonatales (UCIN) deben estar entre los niveles adecuados, de máximo 45 dB para el día y 35 dB para la noche. Mantener estos niveles evita efectos adversos en los pacientes como una estancia hospitalaria más larga y una recuperación más lenta. Sin embargo, las investigaciones que han estudiado la problemática de niveles altos de ruido en UCI han encontrado que es muy común ver que estos límites son excedidos todos los días. Aunque la mayoría de las mediciones son realizadas con sonómetros de alta precisión y costo, no existe un dispositivo que permita medir el nivel de sonido en UCIN que sea de bajo costo, preciso, de fácil uso, con almacenamiento de datos y permita mantener un control de los niveles de ruido a los que se expone al neonato. Esta investigación diseña, desarrolla y valida un dispositivo que cumple con los requerimientos y limitaciones planteadas anteriormente. El dispositivo propuesto se considera útil en la medición del nivel de sonido en diferentes escenarios y ofrece la posibilidad de evaluar, posteriormente, el impacto del ruido en el paciente.
Acceso abierto
Diseño de órtesis utilizando sensores mecanomiográficos como alternativa a los sensores de EMG para terapia de rehabilitación de miembro superior
(Universidad de los Andes, 2022-08-05) Salgado Manrique, Juan Sebastián; Cifuentes De La Portilla, Christian Javier; 1032362385; Bigio Roitman, David; Romero Barreto, Camilo José; Grupo de investigación en Biomecánica
En el presente trabajo se busca explorar la posibilidad de utilizar sensores mecanomiográficos como alternativa a los sensores EMG para la adquisición de señales en órtesis biónicas. Previamente, los sensores mecanomiograficos han sido evaluados en su capacidad de adquisición de señal en personas sanas en literatura, y el objetivo de este trabajo es evaluar su desempeño en pacientes con fuerza y movilidad reducida por enfermedades tales como lesión del plexo braquial y accidente cerebrovascular. Por medio de métodos de diseño 3D y la caracterización de la fuerza requerida en el brazo se pudo obtener un diseño preliminar de la órtesis personalizada y el diseño del circuito compuesto por sensores y motores que apoyarán el movimiento del paciente. Este diseño busca tener un movimiento más cercano al original del paciente al ser personalizado para apoyar las terapias de rehabilitación postoperatorias de miembro superior en pacientes de movilidad reducida.
Acceso abierto
Diseño e implementación de instrumentación para el entrenamiento de natación
(Universidad de los Andes, 2022-06-10) Ortega Ortiz, Luis Eduardo; Cifuentes De La Portilla, Christian Javier; 1032362385; Danies Turano, Giovanna; Argothy, Rodrigo; Cordovez Álvarez, Juan Manuel; Ibiomech
En los últimos años se han venido desarrollando múltiples diseños basados en la naturaleza, con el fin de mejorar el desempeño de deportistas. Uno de los principales ejemplos fue la creación de trajes de baño con una superficie semejante a la piel de tiburón, la cual está compuesta por pequeñas dentaduras que han demostrado reducir el arrestare en el agua (Dean B 2010). Este concepto ha sido aplicado satisfactoriamente a la vestimenta de nadadores, con resultados de cerca de un 10 % en la reducción de arrastre (J Oeffner 2012). Si bien, los avances en la indumentaria deportiva se han enfocado en mejorar el desempeño de atletas, no hay desarrollos orientados a crear situaciones o condiciones que apoyen el entrenamiento de los nadadores. Se ha reportado que entrenar con un aumento en la resistencia al movimiento es beneficioso para los deportistas (V Rodriguez 2019). Tradicionalmente, en la natación esto se logra amarrando a los nadadores a una cuerda en el entrenamiento, lo que se conoce como "Thethered swimming" (DiMenna F 2017). El problema con estas técnicas radica en que modifican el gesto deportivo, creando condiciones distintas al escenario real de competencia. En otras prácticas deportivas, como el atletismo, lo que se hace es usar elementos que aumenten la carga y/o la resistencia del aire. Con ello, crean condiciones más exigentes que la competencia misma Para la natación, esto se lograría diseñando indumentaria que, contrario a lo que logra la piel de tiburón, tenga una superficie capaz de aumentar la resistencia al agua. Los investigadores Gatta et al, demostraron que la superficie del gorro de baño es capaz de variar la resistencia al agua en alrededor de un 5% (Gatta 2015). Este aumento lo tuvieron los nadadores que usaron un gorro con hoyuelos contrario al gorro de silicona, ampliamente utilizado en competiciones. Tomando esto en cuenta, se busca entonces aprovechar estos conceptos para diseñar componentes capaces de aumentar la resistencia al agua, los cuales podrían utilizarse en indumentarias como trajes y que estos sean capaces de complementar y potenciar entrenamientos ya existentes.
Acceso abierto
Dispositivo para la medición del balance y corrección de la técnica del press de banca plano con barra
(Universidad de los Andes, 2023-06-05) Guaje Guerra, Daniel Esteban; Cifuentes De La Portilla, Christian Javier; 1032362385; Argothy Bucheli, Rodrigo Esteban; Bigio Roitman, David; Grupo de investigación en Biomecánica (IBIOMECH)
En los últimos años, la práctica de entrenamientos de resistencia en entornos de gimnasio ha aumentado. Debido a este aumento la cantidad de personas que sufren lesiones ha ido aumentando, alrededor de un 25 a 30\% de las personas que van a un gimnasio se lesionan. Muchas de las lesiones se deben a desbalances musculares o mala técnica. Uno de los ejercicios más comunes es el Press de banca plano con barra. Por lo tanto, surge la necesidad de desarrollar un dispositivo que permita indicar el balance y los ajustes de técnica en tiempo real del press de banca plano con barra. Revisando aquellas herramientas que ya existen o se han generado para solucionar esta problemática, se encuentra dispositivos con nivel de burbuja para la barra, otros tienen sensores de movimiento y procesadores para almacenar los datos para procesarlos posteriormente, ningún dispositivo calcula la inclinación en tiempo real. Con esta finalidad se implementó un dispositivo compuesto de una ESP32, un MPU 6050, software de arduino, Python, para calcular la inclinación y graficarla en una interfaz gráfica en tiempo real. Para evaluar que el efecto de la retroalimentación del dispositivo tiene un efecto en el balance se realizaron 2 metodologías de tomas de datos, en primer lugar midiendo la inclinación del usuario durante cada una de las series de trabajo retroalimentado, específicamente las últimas series. En segundo lugar, midiendo la inclinación en cada una de las series de trabajo y retroalimentando específicamente las primeras series. De estas tomas de datos se les realiza tablas de contingencia para ver el comportamiento de las variables y calcular la correlación punto biserie entre las variables. Se obtiene una correlación débil (-0,22) para la primera metodología y una correlación fuerte (-0,75) para la segunda y para el conjunto de ambos datos una correlación media(-0,47) siendo solo las últimas 2 correlaciones significativas. De esto se observa la precisión del dispositivo para tomar la inclinación respecto al valor real, la utilidad de tener dos metodologías para reducir el impacto de la fatiga y su efecto en la utilidad de la retroalimentación, que hay una relación buena entre la retroalimentación y el balance. Por lo que se concluye, que el dispositivo es una herramienta útil para mejora el balance y la técnica del press de banca plano con barra al tener la retroalimentación en tiempo real.
Acceso abierto
Estudio biomecánico del HandCycling
(Universidad de los Andes, 2023-06-05) Dussán Delvasto, Laura María; Cifuentes De La Portilla, Christian Javier; 1032362385; Cordovez Álvarez, Juan Manuel; Ospitia Ramírez, Robinsson Alexander; Ibiomech
Evaluar la postura en la práctica de un deporte es importante debido a que permite establecer qué posiciones podrían generar alteraciones posturales futuras y cuáles mejoran el rendimiento de los deportistas. Uno de los principales factores en los que se centra esta tesis es en el entendimiento de la postura en el Handcycling. Teniendo en cuenta que existe poca investigación sobre la biomecánica de este deporte y que la mayoría de los estudios actuales se realizan con deportistas de ciclismo convencional, se hace necesario un estudio con atletas experimentados en este deporte. El objetivo del estudio fue identificar patrones cinemáticos que describan el gesto deportivo del Handcycling y permitan una caracterización de la postura en las distintas categorías. Se empleó un protocolo con sensores inerciales de tren superior y un registro de video del gesto deportivo. Este estudio ofrece información relevante sobre la cinemática y los factores posturales del HandCycling que sirve como base para futuras investigaciones que surjan sobre el tema.
Embargo
Injerto electrohilado como opción para aumentación en lesiones de ligamento spring
(Universidad de los Andes, 2023-01-18) Nieto Salazar, Sebastián; Gantiva Díaz, Mónica Rocío; Hoyos Agudelo, María Alejandra; Cruz Jiménez, Juan Carlos; Cifuentes De La Portilla, Christian Javier; 1032362385; 79949732; Bayod López, Javier; Muñoz Camargo, Carolina; GIB; IBIOMECH; GINIB
La deformidad del pie plano adquirido adulto (DPPAA) es caracterizada por el colapso progresivo del arco medial longitudinal del pie. La literatura reciente muestra que las estructuras pasivas estabilizadoras del arco plantar son principalmente el ligamento spring (LS) y la fascia plantar (FP). En estadios tempranos de la DPPAA, los tratamientos se suelen enfocar en refuerzos del tendón tibial posterior, pues en varios escenarios, el LS en estos pacientes está lesionado. Algunos desarrollos actuales, reemplazan el LS con materiales artificiales. Sin embargo, su aplicación es costosa, compleja y limitada por las condiciones del fabricante. Este estudio propone un proceso novedoso de manufactura de una opción para reformzar el trabajo mecánico del LC. El proceso está basado en el método de electrohilado, a partir de policaprolactona (PCL, polímero sintético), gelatina tipo B (polímero natural) y óxido de grafeno (OG, encargado de conferir propiedades mecánicas), injertos para refuerzo de ligamento spring en cuatro materiales: PCL-GT, PCL GT-OG 1.0%, PCL-GT-OG 1.5%, PCL-GT-OG 2.0%. Se utilizó un tratamiento textil de torsionado para conferir mejores propiedades mecánicas al injerto, logrando propiedades mecánicas cercanas a las del LS humano. La caracterización físico-químicas mostró la presencia efectiva de todos los materiales después de la manufatura y tratamientos. Los injertos mostraron ser no hemolíticos, medianamente agregantes y no citotóxicos. El material fue evaluado usando un modelo computacional de pie humano en diferentes condiciones. Teniendo en cuenta las propiedades fisico-químicas de tejido, el injerto PCL-GT-OG 2.0% fue seleccionado para las simulaciones. Los injertos tuvieron una actuación destacada evitando la caída del arco plantar y de soporte pronador del retropié, lo que podría considerarlo como una alternativa para el refuerzo mecánico del arco plantar en estadíos tempranos de la DPPAA.
Acceso abierto
Instantaneous gait cycle segmentation from kinematic analysis: a machine learning-based approach
(Universidad de los Andes, 2024-01-29) Solórzano Quevedo, Brayan David; Giraldo Trujillo, Luis Felipe; Cifuentes De La Portilla, Christian Javier; 1032362385; 93237564; Arbeláez Escalante, Pablo Andrés; Argothy Bucheli, Rodrigo Esteban; Facultad de Ingeniería::Grupo de Ingenieria Biomédica
Biomechanical analysis of human movement usually requires complex and expensive systems. Most of these systems need people to be in laboratories using markers or sensors, which affects the naturalness of the motion gesture. Some other systems recently developed allow the characterization of the kinematic variables outside laboratories in real motion scenarios, but these have some essential limitations related to data analysis and organization. Information is captured and presented as time series data. Thus, the study of motion gestures could be difficult because those systems are not able to perform motion-cycle segmentation. Some systems allow manual cycle segmentation, but this process could be very subjective and expertise-dependent. Therefore, finding an easy-to-implement solution for separating the cycles from data registered as time series could be very useful in considering this kind of motion capture strategy for biomechanics studies. This paper proposes the design and evaluation of a predictive model based on machine learning to segment the gait cycles using the instantaneous knee and hip flexion-extension angles. Results showed highly accurate data and allowed an automatic segmentation of the gait cycle from time series data. Results suggest that this approach could be useful also for studying other cyclical movements such as running, cycling, and skating, among others.
Acceso abierto
Metodología de optimización para la corrección de escoliosis torácica a través del uso de órtesis
(Universidad de los Andes, 2022-07-07) Landinez León, David Felipe; Rodríguez Herrera, Carlos Francisco; Cifuentes De La Portilla, Christian Javier; 1032362385; 79241726; Bravo Vega, Carlos Andrés; Alfonso, Miguel Ángel; Grupo de investigación de biomecánica (IBIOMECH) de la Universidad de los Andes
La escoliosis es una condición de desviación angular de la columna vertebral que se presenta principalmente en la región torácico-lumbar. Esta condición se diagnostica mediante un parámetro ortopédico calculado mediante radiología, denominado como ángulo de Cobb. Cuando este ángulo es mayor a 10 grados, se diagnostica escoliosis y el paciente debe seguir tratamientos. La gravedad de la condición y el tratamiento respectivo varían según este ángulo en conjunto con la zona afectada y la causa, siendo esta última generalmente desconocida. Uno de los tratamientos más comunes es el uso de órtesis, principalmente corsés, los cuales deben usarse por un periodo de tiempo indefinido a una frecuencia mayor a 18 horas al día. Sin embargo, el uso casi permanente de estos dispositivos puede generar dificultades respiratorias y úlceras en las zonas de presión, por lo que la adherencia al tratamiento por parte de los pacientes tiende a disminuir con el tiempo. En este proyecto se utiliza la clasificación de Rigo, además de herramientas computacionales, para diseñar una metodología que optimice la relación entre eficiencia y comodidad del uso de órtesis en el proceso correctivo de la escoliosis torácica.
Restringido
Rediseño de la férula postratamiento del pie equino varo
(Universidad de los Andes, 2022-05-29) Almeida Toro, Verónica; Vargas Reyes, Diana Manuela; Malpica Salcedo, Héctor Julián; Zapata Ruiz, César Augusto; Romanos Garzón, Valeria; Cifuentes De La Portilla, Christian Javier; 1032362385; Bigio Roitman, David
Siguiendo un proceso de análisis y entrevistas a doctores del Instituto Roosevelt en la ciudad de Bogotá, se llegó al problema de tratamiento del pie equino varo. Tras hablar con el Doctor Diego F. Ortiz, el equipo decidió iniciar el proceso de investigación para llegar a un prototipo que reemplazara los yesos usados para la fase de corrección de la enfermedad que actualmente se ve tratada con el Método Ponseti. Sin embargo, después de diferentes reuniones con los asesores, se observó que esta propuesta era inviable debido a complejidad por fuerzas multidireccionales, tiempo estimado de ejecución, y ventajas insuficientes para continuar con este problema específico. Por esto se pasó a un enfoque en la fase de postratamiento, donde actualmente se usa la férula de Dennis Brown para mantener la angulación y posicionamiento adecuados del pie para un desarrollo normal. Aquí se llegó a la necesidad final: Una forma de incrementar la comodidad de la férula ortopédica de pie equino varo en infantes de 0 a 2 años con el fin de disminuir los índices de retroceso dados por la dificultad de adherencia posterior a la corrección efectiva del pie. Con esta necesidad en mente, se propone un rediseño a la férula de Dennis Brown en el que se retire por completo la barra usada para unir las dos piernas y mantener la rotación necesaria del pie. El producto propuesto puede ser usado individualmente para cada pie, y otorga libertad al movimiento de las piernas, incrementando de esta forma su comodidad sin reducir la eficiencia necesaria de esta fase del tratamiento.
Acceso abierto
SafeCann: dispositivo para reducir complicaciones asociadas a la canalización por vía periférica en la mano en pacientes pediátricos
(Universidad de los Andes, 2022-06-30) Erazo Navas, Alejandra; Ramos Guerra, Ana Sofía; Rincón García, María Camila; Rivera Martínez, Nicolás; Varón López, Camila; Cifuentes De La Portilla, Christian Javier; 1032362385; Bigio Roitman, David; Briceño Triana, Juan Carlos; Gaitán León, Diana Marcela; Rueda Esteban, Roberto Javier
La protección de la canalización pediátrica de vía periférica en la mano es una de las principales dificultades durante una hospitalización dado que puede presentar diversas complicaciones por manipulación del catéter o movimiento brusco de la mano. Por lo tanto, en este trabajo queremos hallar una forma de reducir la flebitis y la infiltración intravenosa en pacientes pediátricos entre 6 y 10 años que están canalizados por vía periférica en la mano para maximizar el tiempo de permanencia del catéter. Para tal fin, diseñamos SafeCann, un dispositivo que tiene como objetivo inmovilizar la muñeca y los dedos de forma cómoda y segura a partir de una base rígida y un sistema de bandas de ajuste. Frente a las soluciones rudimentarias empeladas en la práctica en Colombia y los dispositivos disponibles en el mercado, SafeCann tiene como valor agregado que es reutilizable, autosuficiente y presenta un diseño amigable con el usuario. Por esto, esperamos que la implementación de SafeCann se traduzca en una mejora en la experiencia de los pacientes, una reducción de costos para el sistema de salud y un aumento en la productividad del personal médico. Realizamos pruebas preliminares del dispositivo en las que concluimos que este cumple con la función inmovilizadora, se puede desinfectar y reutilizar, pero puede mejorar en lo que respecta a su comodidad. A futuro, esperamos realizar pruebas clínicas en pacientes pediátricos para evaluar su funcionalidad en un contexto real y así iniciar con el proceso de comercialización.
Acceso abierto
Simulación CFD del movimiento de las otoconias desprendidas de la mácula utricular del oído interno y su relación con el Vértigo Posicional Paroxístico Benigno (VPPB)
(Universidad de los Andes, 2024-01-26) Hoyos Agudelo, María Alejandra; Bravo Vega, Carlos Andrés; Peñaranda Sanjuan, Augusto; Cifuentes De La Portilla, Christian Javier; 1020771356; 19124380; 1032362385; Briceño Triana, Juan Carlos; García Gómez, Juan Manuel; Facultad de Ingeniería::Biología Matemática y Computacional Biomac; Facultad de Ingeniería::Grupo de Ingenieria Biomédica
El Vértigo Posicional Paroxístico Benigno (VPPB) es la principal causa de vértigo periférico, constituyendo el 25% de los casos de vértigo vestibular. En la actualidad, se cuenta con diversos tratamientos para este trastorno que se sustentan en la teoría que consiste en que el VPPB se origina a raíz del desplazamiento de las “otoconias”, pequeñas estructuras de carbonato de calcio ubicadas en la membrana otolítica y desempeñan un papel crucial en el equilibrio del cuerpo. Sin embargo, el porcentaje de éxito de estos tratamientos oscila entre el 50% y el 80%, dependiendo de la ubicación de las otoconias en los canales del oído, lo que a menudo requiere que los pacientes se sometan a múltiples intentos. Adicionalmente, la información encontrada en investigaciones hasta la fecha sobre este tema, que incluyen los factores físicos, químicos y fisiológicos involucrados en este desplazamiento, es limitada. Para abordar esta brecha, en la presente investigación se emplea un modelo tridimensional del oído interno en simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) para estudiar el movimiento de los diferentes tamaños de otoconias en el líquido endolinfa por cada uno de los tres canales semicirculares del oído. Este enfoque tiene como objetivo brindar una comprensión más profunda de por qué los tratamientos no son muy efectivos, avanzando así en el conocimiento de este trastorno.

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