ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DEL DESGASTE DE CARTÍLAGO DE ARTICULACIÓN DE RODILLA

Transcripción

1 ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DEL DESGASTE DE CARTÍLAGO DE ARTICULACIÓN DE RODILLA RESUMEN Estudiantes: Ing. Agustín Vidal Lesso (ITC) M.I. Raúl Lesso Arroyo (ITC) Asesor: Dr. Leonel Daza Benítez (IMSS de León) Actualmente algunas investigaciones han encontrado que el cartílago articular posee una limitada capacidad de reparación. Se sabe que algunas lesiones traumáticas y osteoartríticas degenerativas provocan la degradación del cartílago y la destrucción de la superficie articular, lo cual lleva, en la mayoría de casos, a un reemplazo total o parcial de la articulación para eliminar el dolor y restaurar la movilidad. Por lo anterior, es importante prevenir en lo posible este tipo de enfermedades, para ello, es necesario realizar el estudio de desgaste de cartílago en la articulación de rodilla implicando analizar y simular el comportamiento biomecánico de la articulación para establecer parámetros de peso, edad, posición de huesos y sus efectos sobre el cartílago, elemento de interfase entre fémur y tibia, que al desaparecer o calcificarse estos huesos entran en contacto directo y causan los dolores por osteoartritis. INTRODUCCIÓN La rodilla humana es una de las articulaciones más importantes del cuerpo humano, ésta permite regular la distancia del cuerpo con respecto al suelo y permite, a través de su movimiento de flexión-extensión, el desplazamiento del cuerpo para la realización de las diferentes actividades de la vida diaria. La bibliografía médica describe completamente la anatomía de la rodilla, la cual está compuesta principalmente por el fémur, la tibia, la rótula, meniscos y cartílago articular. Algunas lesiones traumáticas y osteoartríticas degenerativas provocan la degradación del cartílago y la destrucción de la superficie articular, lo cual produce dolor e inmoviliza a la persona. Los casos con dolor y alteraciones radiológicas por osteoartritis son derivadas por diferentes causas, como son: alimentación, patológicas, malos hábitos de posturas durante el trabajo, pero la principal causa son los problemas de sobrepeso. Esta última origina variación en la alineación de las extremidades inferiores, tibia y fémur principalmente, tanto en mujeres como en los hombres. Esta enfermedad produce rigidez en la articulación, causa mucho dolor y limita su movimiento. La solución final a este tipo de enfermedad es el reemplazo total de la articulación cuya duración en promedio no llega a los diez años, además de ser muy costosas por gastos de cirugía y prótesis. Se estima que en la población mayor de 60 años cerca de un 35 % tendrán dolor y

2 alteraciones radiológicas, que de acuerdo a lo proyectado en el estudio para el año 2010 serán aproximadamente 10 millones de mexicanos con cerca de 60 años, lo que significarían 3.5 millones de gente con dolor y alteraciones radiológicas por osteoartritis de rodilla. OBJETIVO El objetivo principal de este proyecto es continuar con la revisión del estado del arte y la simulación de articulación de rodilla, para proveer la información necesaria para el desarrollo de una prótesis económica, de alta durabilidad. Objetivos específicos. Revisión y búsqueda de información. Simulación de la articulación de rodilla para observar el efecto del cartílago. Diseño y desarrollo de pruebas de prototipos virtuales. Difundir los resultados de la investigación. MATERIALES Y MÉTODOS La metodología seguida para lograr el objetivo principal propuesto en este proyecto, fue la siguiente: 1. Búsqueda de información y revisión de bases de datos. 2. Obtención de artículos relacionados con la articulación de rodilla. 3. Actualmente se cuenta con modelos digitalizados del fémur y tibia pero presentan algunos problemas de geometría y por ello es necesario digitalizar otros modelos para tener una mejor representación de las dimensiones reales de estos huesos, así como de las posibles prótesis a utilizar como elementos de referencia. 4. Aunado a los modelos digitalizados es necesario la obtención y generación de modelos de CAD para las simulaciones de prótesis de rodilla que incluyan los huesos base y el cartílago. 5. El paso siguiente de este proyecto es la simulación y revisión de nivel de desgaste en los ensambles de las prótesis bajo condiciones de prueba reales. 6. Las simulaciones anteriores darán la pauta para la creación de un prototipo virtual de prótesis de rodilla. 7. La obtención de parámetros proporcionados por el prototipo virtual, permitirá seleccionar los elementos y materiales para el armado de la prótesis física. RESULTADOS La búsqueda de información y revisión de bases de datos ha proporcionado los siguientes resultados: Bibliografía médica (descripción de la anatomía de la rodilla). Diversos artículos que proporcionan información sobre: - Propiedades mecánicas de los huesos y cartílago. - Análisis cinemáticos y dinámicos de la articulación de la rodilla.

3 - Modelos analíticos del comportamiento del cartílago. - Análisis mediante el método de elemento finito de la rodilla y sus consideraciones realizadas. - Resultados de pruebas experimentales in vitro de rodillas sometidas a cargas para determinar la presión máxima en la zona de contacto tibiafémur. - El espesor del cartílago articular en fémur y tibia y su distribución. Fotos, radiografías e información (peso, edad, sexo, actividades) respectiva a diferentes casos de problemas de desgaste de cartílago articular en rodilla. Resonancias magnéticas de una rodilla sana y otra con problemas. Para la generación del modelo CAD, se trabajo con los modelos digitalizados que se tienen actualmente y se generó un modelo que incluye el cartílago articular tanto en el fémur como en la tibia que basándose en la información obtenida, se consideró un espesor de cartílago de 2.25 mm en el fémur y mm en la tibia. Fémur Cartílago Tibia Figura 1. Modelo CAD de rodilla con cartílago articular Se realizó la simulación de la rodilla respecto a la aplicación de cargas con el objetivo de observar el efecto del peso en el cartílago, para ello se utilizó el paquete de elemento finito ANSYS El cartílago se consideró como material isotrópico, homogéneo y lineal (E=15 MPa, v=0.475) y los huesos como materiales ortotrópicos. Se aplicó una carga en dirección -z de 700 N en el fémur, equivalente al peso de una persona de 71 Kg; se restringieron los desplazamientos del fémur y cartílago en el plano XY, simulando el efecto que realizan los músculos y se restringieron los grados de libertad de la tibia en su parte inferior simulando que está fija.

4 Figura 2. Modelo de elementos finitos del modelo generado (SOLID92, elementos, nodos). Figura 3. Distribución de esfuerzos equivalentes en el cartílago articular del fémur con una carga aplicada de 700 N, 0º de flexión y alineado. Figura 4. Distribución de esfuerzos equivalentes en el cartílago articular de la tibia con una carga aplicada de 700 N, 0º de flexión y alineado. CONCLUSIONES Y DISCUSIÓN La magnitud de esfuerzo máximo, a las condiciones dadas, se presenta en el cartílago del fémur, éste es menor que el límite de cedencia del cartílago (25MPa), lo cual indica que no sufre daño a la magnitud de carga aplicada, sin embargo, se espera que al aplicar la desalineación, incrementar el peso de la persona o aplicar condiciones de carga durante la caminata, los esfuerzos máximos se incrementarán produciendo daño en el cartílago. Los resultados obtenidos proporcionarán la información base para el desarrollo de una prótesis de articulación de rodilla.

5 El desarrollo de un prototipo virtual cada vez más real de la rodilla ayudará a entender mejor su comportamiento biomecánico y disminuir las pruebas destructivas. El uso del elemento finito para análisis biomecánicos, es una herramienta que puede ayudar al entendimiento y solución de problemas de la salud del ser humano. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Donzelli Peter S., Spilker Robert L., Ateshian Gerard A., Mow Van C. (1999) Contact analysis of biphasic transversely isotropic cartilage layers and correlations with tissue failure. Journal of Biomechanics Kapandji A. I.V. (1997), Fisiología Articular, Tomo II, 5ta edición, México. 3. Quiroz Gutierrez Fernando.( 1994) Tratado de Anatomía Humana. Tomo I, Trigésimo tercera edición, México. 4. Thambyah, A, Goh J.C.H.; Shamal Das De. (2005 ) Contact stresses in the knee joint in deep flexion. Medical Engineering &Physics. DIRECCIONES ELECTRÓNICAS