Diseño paramétrico de instrumental de cirugía laparoscópica en base a criterios biomecánicos y ergonómicos

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1 Asociación Española de Ingeniería Mecánica XVIII CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA Diseño paramétrico de instrumental de cirugía laparoscópica en base a criterios biomecánicos y ergonómicos A. González 1, D.R. Salgado 2, L. García 3 1 Centro Universitario de Mérida, Universidad de Extremadura. España 2 Dpto. Ingeniería Mecánica, Energética y de los Materiales. Universidad de Extremadura. España 3 Dpto. Expresión Gráfica. Universidad de Extremadura. España agonzalez@edu.juntaextremadura.net Resumen El objetivo de este trabajo es establecer los criterios biomecánicos y ergonómicos que permitan el diseño óptimo y paramétrico de una pinza de cirugía laparoscópica en función del tamaño de la mano del cirujano/a. Diversos estudios y las experiencias llevadas a cabo en el Centro de Cirugía de Mínima Invasión (CCMI) de Cáceres, han puesto de manifiesto que ciertos diseños y geometrías generan lesiones al cirujano/a debido principalmente al tiempo que pasan a diario utilizando este instrumental y al número de veces que realizan la apertura y cierre de estas pinzas. Para fijar los criterios se han estudiado varias pinzas de cirugía laparoscópica comercial durante su empleo en diversas intervenciones en las instalaciones del CCMI con la finalidad de encontrar los puntos críticos de dicho instrumental. Además se ha llevado a cabo un estudio del estado actual del instrumental, basándose en referencias bibliográficas, publicaciones y consultas en revistas especializadas. Con todos los resultados obtenidos se ha generado una guía de diseño que permite realizar el diseño óptimo del instrumental en base a datos antropométricos de la mano del cirujano/a, esto es, realizar el diseño óptimo para cada cirujano/a. Algunos parámetros de especial relevancia en el diseño de este instrumental son el ángulo entre el mango y la varilla, y el diámetro del mango de la pinza. Otros parámetros que también determinan la ergonomía del instrumental son la posición de la anilla de apertura y cierre, la posición del elemento que permite la rotación de la punta y el dedo de la mano que debe emplearse para su rotación. Las primeras pruebas para validar la guía de diseño y el diseño paramétrico de las pinzas se ha realizado en SolidWorks. Los diseños paramétricos realizados se materializarán con técnicas de prototipado rápido con el objetivo de poder validar los resultados en un tiempo reducido y a la vez posibilitar que dicha validación se realice en una prueba real del instrumental diseñado durante una cirugía. INTRODUCCIÓN El uso generalizado y cada vez más extendido de la cirugía laparoscópica ha puesto en evidencia lesiones específicas relacionadas con el uso del instrumental y las técnicas especiales desarrolladas para estos procedimientos. Numerosas empresas están desarrollando instrumentos para cirugía de mínima invasión (MIS) ampliando la selección de los dispositivos disponibles para el cirujano. Aunque las técnicas han alcanzado un nivel relativamente alto de desarrollo, las características ergonómicas de estos instrumentos aún siguen siendo deficientes, tal y como demuestra los trabajos [1-5]. Los cirujanos con frecuencia se quejan de la presión, así como del dolor y la fatiga en las manos y las articulaciones del miembro inferior [1, 4, 5]. Estas lesiones se pueden atribuir al repetitivo y prolongado uso del instrumental poco ergonómico. Las directrices ergonómicas generales existentes para el diseño de herramientas de mano no son suficientemente específicas y, por tanto, insuficientes para su uso en el diseño de los instrumentos laparoscópicos [5]. En este trabajo, el objetivo es mejorar el empleo del una pinza de cirugía laparoscópica, como en los trabajos anteriormente mencionados, modificando su geometría en función de los datos ergonómicos del usuario, y

2 A. González et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 2 generando a partir de estos datos un diseño paramétrico del instrumental que permita el diseño óptimo en función del tamaño de la mano del cirujano. Para ello se ha trabajado con un modelo 3D de la pinza comercial generado en SolidWorks, para su posterior análisis mediante técnicas de prototipado rápido con el objetivo de poder validar los resultados en un tiempo reducido y a la vez posibilitar que dicha validación se realice en una prueba real del instrumental diseñado durante una cirugía. OBJETIVOS El objetivo de este trabajo es establecer una guía basada en criterios biomecánicos y ergonómicos que permitan el diseño óptimo y paramétrico de una pinza de cirugía laparoscópica en función del tamaño de la mano del cirujano, a partir de las conclusiones obtenidas sobre los estudios y recomendaciones ergonómicas del estado actual del instrumental. Estas recomendaciones parten de la identificación y detección de posibles condiciones ergonómicas inadecuadas tanto obtenidas a partir del análisis del instrumental (mecánico, uso, etc.), de los cirujanos (a través de los cuestionarios) y los estudios basándose en referencias bibliográficas, publicaciones y consultas en revistas especializadas. METODOLOGÍA La metodología propuesta en este trabajo se apoya en el análisis en primer lugar de la documentación sobre ergonomía tanto a nivel antropométrico como la existente sobre cirugía laparoscópica. Los resultados obtenidos se recogieron en las tablas de este trabajo. En primer lugar se recogen los principales resultados obtenidos en la fase de Investigación documental existente sobre el instrumental. A continuación se relacionan los principales requisitos ergonómicos que debe cumplir el instrumental y todo ello apoyándose en la modelización de la pinza de cirugía laparoscópica comercial (Fig.1) en SolidWorks, para posteriormente evaluar el diseño de dicha pinza a partir de su prototipado rápido. Fig. 1. Pinza de cirugía laparascópica. En la actualidad, existen muchos tipos de instrumental laparoscópico, la Fig. (2) muestra los diferentes tipos de mangos para las diferentes funciones necesarias. Se pueden observar mangos axiales, mangos de anillas de dos, tres y hasta cuatro dedos, y algunos diseños más innovadores como los de las figuras. Se establecen diferentes tipos de clasificación, una primera en función del número de usos. Atendiendo a esta clasificación podemos distinguir entre instrumental reusable, semi-reusable y desechable. Se han realizado estudios [6] en los cuales se detectó que el 80 % del instrumental es reutilizable debido a la buena relación coste calidad de los mismos. Además, evaluaron las causas que llevaban a un hospital a cambiar de tipo de instrumental y concluyeron que el 68 % de hospitales lo hacían porque mejoraba la calidad de realización de las operaciones. De este estudio podemos deducir que la prioridad de los cirujanos es buscar instrumental de calidad y que les permita una buena realización de las cirugías laparoscópicas.

3 Diseño paramétrico de instrumental de cirugía laparoscópica en base a criterios biomecánicos y ergonóm. 3 Fig. 2. a) Mangos de instrumental, b) agarre de precisión y c) agarre de fuerza. Una segunda clasificación del instrumental laparoscópico se realiza atendiendo a sus características funcionales [5]. Estos autores distinguen cuatro grupos de instrumental: GRUPO I: Instrumental de manipulación activa de tejidos (pinzas de disección, pinzas de agarre, tijeras, portaagujas y pinzas de sutura); GRUPO II: Instrumental de electrocirugía; GRUPO III: Instrumental para sutura y división automática de tejidos (grapadoras, aplicadores de clip, suturas automáticas); GRUPO IV: Tubos de succión e irrigación. Este trabajo se centra en el primer grupo instrumental. Podemos distinguir dentro de este grupo tres partes de cada instrumento: Mango, vaina e inserto siendo la base de nuestro estudio el mango. Un estudio [5] realizado para determinar el porcentaje de uso de estos tipos de mangos relacionados con los diferentes tipos de funciones dio como los resultados más destacables los siguientes y como queda recogido en la Fig. (3): El 71% de las pinzas de disección, pinzas de prensión y tijeras utilizan mangos tipo 1. El 56 % de los mangos tipo 4 son más utilizados para portaagujas y pinzas de sutura. Para realizar un buen diseño ergonómico, la adaptación debe tener en cuenta el tramo de dimensiones comprendido entre el percentil 5 y 95 de la población. A estas dimensiones, debe además de añadirse un cierto espacio libre para los guantes protectores. En el caso del diseño del instrumental, al igual que en una herramienta manual los parámetros antropométricos fundamentales a considerar son los relativos a las dimensiones de la mano. A continuación se especifican las principales dimensiones que deben considerarse en el diseño del mango del instrumental (ver Fig. (4)): a) Longitud de la mano. b) Longitud de la palma. c) Anchura de la mano en los metacarpianos. d) Longitud del dedo índice. e) Anchura del dedo índice, proximal. f) Anchura del dedo índice, distal. g) Anchura del dedo pulgar.

4 A. González et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 4 Fig. 3. Porcentajes de uso tipos de mango con instrumental del Grupo I. a) b) c) d) e) Fig. 4. Principales dimensiones en el diseño del mango del instrumental. En la Tabla 1 se muestran los valores antropométricos de la mano (en mm) tanto para mujeres como para hombres y en su conjunto, que están relacionados con el diseño del mango y que son las que influyen en las variables paramétricas de nuestro trabajo. Para poder establecer la diferencia entre hombre y mujer en el diseño del instrumental, se realizo un estudio sobre unos mangos en plastilina, tomándose datos del diámetro, ángulo, longitud una vez que los distintos sujetos (hombres y mujeres) adaptaban los mangos a su mano.

5 Diseño paramétrico de instrumental de cirugía laparoscópica en base a criterios biomecánicos y ergonóm. 5 N Refer. (ISO 7250:1996) Tabla 1. Datos antropométricos para la mano de la población española (Carmona [7], INSHT [8]) Designación Tam. Muestra Media SD Tam. Muestra Media SD Tam. Muestra Media Tipo Población Hombre Mujer Conjunta Longitud de la mano Longitud de palma Anchura de la palma de la mano(en metacarpianos) Longitud del dedo índice Anchura proximal dedo índice Anchura distal del dedo índice Anchura dedo pulgar Medidas de segmentos específicos del cuerpo (mm) ,18 9, ,99 8, ,94 11, ,00 6, ,30 5, ,65 0, ,29 7, ,89 4, ,46 4, , , ,11 1, ,88 1, ,23 1, ,51 1, ,29 2, ,2 1, ,80 1, SD RESULTADOS A continuación se presenta una tabla comparativa entre los criterios que Van Veelen et al. [5] y NIOSH [8] han obtenido para pinzas de disección y los resultados en base al estudio realizado. Disector Criterios según Van Veelen 1 El ángulo entre mango y vaina debe estar entre 40º y 50º 2 La apertura de agarre debe estar comprendida entre 60 y 80 mm. 3 Para mangos axiales: la longitud del mango de agarre no puede ser más largo de 170 mm. 4 El mango de las pinzas de agarre debe tener una anchura mínima de 10 mm para evitar áreas de presión. 5 Si el mango contiene anillos para los dedos, las dimensiones de éstos deben ser: longitud 30 mm y anchura 24 mm. Criterios del estudio Hombre Mujer mm mm Axial: > 10 mm Circular: Diámetro entre 48 y 57 mm 160 mm Axial: > 10 mm Circular: Diámetro entre 46 y 55 mm Longitud: 30 mm Anchura: 21 mm CONCLUSIONES El rango recomendado para el ángulo no cambia en relación con los criterios aplicados según Van Veelen [5]. Sí se pueden apreciar variaciones respecto a los restantes. En el parámetro que hace referencia a la apertura el rango

6 A. González et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 6 varía, siendo entre 70 a 80 mm para el hombre y de 60 a 70 mm para la mujer. En lo que se refiere al parámetro de la longitud máxima el rango del hombre no cambia pero sí el de la mujer que puede tener una dimensión máxima hasta 150 mm. Respecto a la anchura en los mangos de tipo axial la anchura no cambia pero sí en lo que respecta a los de tipo circular siendo el rango de 48 a 57 mm en el hombre y de 46 a 55 mm en el de mujer, datos que coinciden con los resultados publicados en otros estudios análogos [9, 10]. Hay algunas conclusiones generales para este estudio. En teoría, crear un prototipo infinitamente variable sería la solución ideal según las preferencias individuales basadas en sus medidas antropométricas. Sin embargo, en la práctica esto sería inviable, pero sí se puede reducir el número de esos parámetros a los que se han expuesto en este estudio con los que se podría aproximar al caso ideal. Sería interesante que los estudios futuros pudieran construir prototipos físicos basados en los resultados obtenidos [11] y así poder comprobar la idoneidad de los mismos. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al CCMI (Centro de Cirugía de Mínima Invasión de Cáceres) y al IBV (Instituto de Biomecánica de Valencia) su apoyo, al facilitar los datos de partida para la realización de este trabajo y al Ministerio de Ciencia e Innovación mediante la financiación concedida en el proyecto de referencia DPI C REFERENCIAS [1] R. Berguer, The application of ergonomics in the work environment of general surgeons. Rev Environ Health, 12 (1997), [2] R. Berguer, Surgical technology and the ergonomics of laparoscopic instruments. Surgical Endoscopy, 12 (1998), , ISSN [3] R. Berguer, D. L. Forkey, W. D. Smith, Ergonomic problems associated with laparoscopic surgery. Surgical Endoscopy, 13 (1999), , ISSN [4] Matern U., Eichenlaub M., Waller P., Rückauer K., MIS instruments: An comparison of various ergonomic handles and their design. Surgical Endoscopy Vol 13 (8), 1999 pp , ISSN [5] M.A.Van Veelen, y D.W Meijer, Ergonomics and Design of Laparoscopic Instruments: Results of a Survey among Laparoscopic Surgeons. Journal of Laparoendoscopic and Advanced Surgical Techniques Vol 9 (6); 1999, p [6] M.A. Van Veelen, D. W. Meijer, R.H.M. Goossens, C.J. Snijders, y J.J. Jakimowicz, Improved usability of a new handle design for laparoscopic dissection forceps. Surgical Endoscopic 2002,16; p [7] A. Carmona, Datos antropométricos de la población laboral española [8] A. Carmona, Datos antropométricos de la población laboral española. Revista INSHT, 14 (2001), [9] A. Di Martino, K. Doné, T. Judkins, J. Morse, J. Melander, Ergonomic Laparoscopic Tool Handle Design. Human Factors and Ergonomics Society 48th Annual Meeting Proceedings (2004), , ISSN [10] M.A. Van Veelen, D. W. Meijer, I. Uijttwaal, R.H.M. Goossens, C.J. Snijders, y G. Kazemier, Improvement of the laparoscopic needle holder based on new ergonomic guidelines. Surgical Endoscopy, 17 (2003), [11] A. Trejo, M.C. Jung, D. Oleynikov, M.S. Hallbeck, Evaluation of a Surgeon-Centered Laparoscopic Tool. Design to conventional Tools Human Factors and Ergonomics Society 49th Annual Meeting Proceedings (2005), , ISSN