Asociación Mexicana de Robótica e Industria, A. C. (AMRob) USO DE HERRAMIENTAS CAD-CAE EN LA GENERACIÓN DE DISPOSITIVOS MÉDICOS (PRÓTESIS)

Transcripción

1 Asociación Mexicana de Robótica e Industria, A. C. (AMRob) USO DE HERRAMIENTAS CAD-CAE EN LA GENERACIÓN DE DISPOSITIVOS MÉDICOS (PRÓTESIS)

2 GRUPO DE BIOMECANICA-ITC M.I. Raúl Lesso Arroyo Dr. Agustín Vidal Lesso M.C. Edgar Samuel Vera Contreras Estudiantes: Roberto Carlos Ramos Santillan Gaspar Albiter Rodriguez Eduardo Rateike del Rivero Fabian Casas Huerta Gerardo Torres Gutierrez Carlos Serrano Perez Gabriela Castillo/Claudia Arevalo Instituto Tecnológico de Celaya Depto. de Ingeniería Mecánica Área de Biomecánica Av. Tecnológico y A. García Cubas C.P , Celaya, Gto Tel: (461) ext y 5272 Colaboradores: Dr. Horacio Orozco Mendoza ITC Dr. A. Mandoqueo Duran -MAC Dr. Leonel Daza Benítez - IMSS Dr. Elías Ledesma Orozco DICIS-UG

3 Biomecánica

4 Biomecánica Disciplina científica. Leyes de la Física Analiza Fuerzas Actuantes Estudio de Cuerpo Humano Ingeniería Describe los Movimientos

5 Biomecánica Permite conocer y proponer soluciones Prótesis, Ortésis, o Dispositivos Biomecánicos La innovación Evita Lesiones o Problemas Médicos Desarrollo de Modelos Dinámicos

6 Campo de la Biomecánica

7 FUNDAMENTOS MÉDICOS MATERIALES * ANATÓMICOS * FISIOLÓGICOS * BIOCOMPATIBLE * PESO * COSTO * RESISTENCIA SOCIALES * CULTURA * HABITO * LABORAL * HEREDITARIOS *MATEMÁTICOS * ESTÁTICOS Y DINÁMICOS * DESGASTE * TÉRMICOS Y FLUIDOS TÉCNICOS

8 FUNDAMENTOS Divide un modelo en componentes matemáticos discretos Resuelve una ecuación matricial con términos de cada elemento Predice el cambio en el elemento a través de la Deformación, Esfuerzo, Temperatura, Presión Velocidad, etc. [ M ]{ u} + [ C]{ u} + [ K( u) ]{ u} = { F( t) } Análisis por Elementos Finitos. [K]{u}+[k]{T} = {R}+{Q} nolineal

9 FUNDAMENTOS Modelo 3D Malla Simulación Resultados

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11 PRÓTESIS CERVICAL 50 % de la población > 18 años. 3 % sufren alteraciones cervicales. Artrosis vertebral Posturas inadecuadas. Accidentes automovilístico. 1, 600, 000 individuos. Hernia

12 PRÓTESIS CERVICAL. Fusión Artroplastía

13 PRÓTESIS CERVICAL. DEPENDENCIA TECNOLÓGICA GT IE IS GENERACIÓN DE TECNOLOGÍA IMPACTO ECONÓMICO IMPACTO SOCIAL

14 PRÓTESIS CERVICAL. QUE CONSIDERAR EN EL ANÁLISIS Movimiento de la columna en sentido anteroposterior y lateral

15 PRÓTESIS CERVICAL. QUE CONSIDERAR EN EL ANÁLISIS Modelo sólido cervical 2,3 y 4, con respectivos discos y ligamentos

16 PRÓTESIS CERVICAL. QUE CONSIDERAR EN EL ANÁLISIS Aplicación de condiciones de frontera

17 PRÓTESIS CERVICAL. Discretización del modelo 3D, asignación de materiales

18 PRÓTESIS CERVICAL. Resultados del ensamble de vertebras y disco cervical

19 DESARROLLO DE PRÓTESIS CERVICAL Modelo 3D de Prótesis cervical Propuesta I Propuesta II Propuesta III

20 Fuerza aplicada 400 N σ= MPa 1 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =10 TIME=400 SEQV (AVG) DMX = SMN = SMX = MN MX Y X Z σ= MPa Esfuerzo von Mises (Mpa) 1 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =10 TIME=400 UY (AVG) RSYS=0 DMX = SMN = SMX = MX Y X Z MN Desplazamiento UY (mm)

21 DESARROLLO DE PRÓTESIS CERVICAL Modelo 3D de Prótesis cervical FINAL Prótesis parcial de rodilla

22 DESARROLLO DE PRÓTESIS CERVICAL Aplicación de condiciones de frontera, materiales

23 DESARROLLO DE PRÓTESIS CERVICAL Aplicación de condiciones de frontera, materiales

24 PRÓTESIS CERVICAL DE DISCO Pruebas Experimentales ASTM F2077

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26 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA Osteoartritis (OA) Desgaste Cartílago Articular Fricción entre huesos Inflamación Dolor intolerable Atrofia muscular Pérdida de movimiento Claudicación de la marcha Daño permanente Prevalencia mundial del 20% [1] Para el 2020 se estima en 18 millones la población con OA.

27 Geometría Empleada Fémur (Rígido) Cartílago PCL ACL MCL LCL Menisco Tibia (Rígido)

28 Definición de los Materiales Curvas de relajación Modelo de Maxwell Modelo generalizado de Maxwell Series de Prony

29 Definición de los Materiales Modelo matemático de Rivlin Mooney-Rivlin de 5 constantes

30 Modelo de Elementos Finitos Hexaedros (1mm) Tetraedros (2mm) Tetraedros (1mm) Hexaedros (1.5mm) Tetraedros (0.6mm) Hexaedros (1.5mm) Hexaedros (1mm)

31 Generación de Contactos Bonded (always) Bonded (always) Standard Bonded (always) Algoritmo: Aumentado de Lagrange Factor de rigidez: 1.0 (Deformación Volumétrica) Coeficiente de fricción: 0.02 (coeficiente dinámico debido a la lubricación natural en la articulación) Standard Ajuste inicial: ICONT (Ajuste inicial)

32 Condiciones de Frontera (ISO )

33 Proceso de solución Fuerza Axial (Z) y Flexión (X) (nodo piloto 27730) Fuerza AP (Y) y Torque (Z) (nodo piloto 30183) Restricción en Todos los GDL!... PROCESO DE SOLUCIÓN /SOL ANTYPE,4!Análisis Transitorio TRNOPT,FULL LUMPM,1 TIMINT,1!Efectos Inerciales NLGEOM,1!No linealidades geométricas EQSLV,PCG,1E-8!Método iterativo de solución NSUBST,1,10,1,1 OUTRES,ALL,ALL TIMINT,1 KBC,0 D,30183,ROTX, D,30183,ROTY, D,30183,UX, D,30183,UZ, D,27730,ROTY, D,27730,ROTZ, D,27730,UX, D,27730,UY, *DO,I,1,100,1 TIME,I/100 F,27730,FZ,-AXIAL(I) D,27730,ROTX,FLEXION(I) D,30183,ROTZ,-TORQUE(I) D,30183,UY,AP(I) LSWRITE,I *ENDDO

34 RESULTADOS

35 RESULTADOS Resultados para T=0.14s MEDIAL LATERAL

36 RESULTADOS

37 PRÓTESIS DE RODILLA TOTAL Y PARCIAL

38 DISEÑO DE PRÓTESIS TOTAL DE RODILLA

39 SIMULACIÓN DEL DISEÑO DE PRÓTESIS TOTAL DE RODILLA

40 RESULTADOS DE ESFURZOS MÁXIMOS

41 RESULTADOS DE ESFURZOS MÁXIMOS

42 Manufactura, Uso de herramientas CAD-CAM Máquina CNC UHMWPE Prototipos

43 PRÓTESIS DE RODILLA TOTAL Y PARCIAL

44 SIMULADOR DINÁMICO PARA PRUEBAS DE DESGASTE

45 PRÓTESIS DE RODILLA TOTAL Y PARCIAL

46 OTRAS APLICACIONES DEL ÁREA DE BIOMECÁNICA DEL ITC. Servicio de pruebas a estabilizadores de fractura, clavos de fijación, centromedulares y todo tipo de placa y tornillos para los problemas de osteosíntesis.

47 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CELAYA Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatronica ÁREA DE BIOMECÁNICA Av. Tecnológico con A. García Cubas Col. Fovissste, C.P Celaya, Gto.MEXICO Tel ext Y 5270 GRACIAS..