La Revista ITECKNE, Innovación e Investigación en Ingeniería, es una publicación de carácter científico y tecnológico creada en el año 2002 como medio de divulgación de los resultados de los trabajos de investigación que se realizan al interior de las facultades de Ingeniería y Química Ambiental de la Universidad Santo Tomás Bucaramanga, además de las investigaciones en el área hechas dentro y fuera del país. Con una circulación semestral, publica principalmente artículos originales de investigación científica e innovación tecnológica, artículos de reflexión, artículos de revisión y ocasionalmente artículos de reporte de caso. Todos los artículos publicados se someten a revisión de dos pares o árbitros, de conocida idoneidad en el tema La Revista ITECKNE publica artículos en las siguientes áreas: Ciencias Básicas Ingeniería Industrial Ingeniería Ambiental Ingeniería Mecánica Ingeniería Civil Ingeniería Mecátronica Ingeniería Electrónica Ingeniería de Sistemas Ingeniería de Telecomunicaciones Química Ambiental Otras áreas relacionadas con la ingeniería DIRECTIVOS fr. Samuel Elías FORERO BUITRAGO, op. Rector fr. Mauricio CORTÉS GALLEGO, op. Vicerrector Académico fr. Fernando CAJICÁ GAMBOA, op. Decano de División de Ingenierías y Arquitectura fr. Rubén DARÍO LÓPEZ GARCÍA, op. Vicerrector Administrativo y Financiero DEPARTAMENTO DE PUBLICACIONES Freddy Luis Guerrero Patarroyo Director Stefany Carrillo García, M.Sc. Corrección Ortográfica y de Estilo Sonia Bataller Fuster Manuel Andrés Rosero Niño Traducción Luis Alberto Barbosa Jaime Diseño y Diagramación PORTADA Imagen tomada del Banco de Imágenes http://www.ingimage.com IMPRESIÓN Distrigraf PERIODICIDAD Semestral ISSN 1692-1798 ISSN DIGITAL 2339-3483 Copyright 2014. Universidad Santo Tomás EDITOR Yudy Natalia Flórez Ordóñez, Ph.D. COORDINADORA EDITORIAL Lizeth Johanna Alvarado Rueda, M.Sc. COMITÉ EDITORIAL Carlos Vicente Rizzo Sierra, Ph.D. Universidad Santo Tomás Bucaramanga, Colombia Yudy Natalia Flórez Ordóñez, Ph.D. Universidad Santo Tomás Bucaramanga, Colombia Catalina Tobón Zuluaga, Ph.D. Instituto Tecnológico Metropolitano Medellín, Colombia John Jairo Castillo León, Ph.D. Universidad Técnica de Dinamarca Lyngby, Dinamarca Ángel Alberich Bayarri, Ph.D. Grupo Hospitalario Quirón Valencia, España Héctor Esteban Gonzales, Ph.D. Universidad Politécnica de Valencia Valencia, España COMITÉ CIENTÍFICO Juan Carlos Guerri Cebollada, Ph. D. Universidad Politécnica de Valencia Valencia, España Rudy Cepeda Gómez, Ph.D Universidad de Rostock Rostock, Alemania Leonor Yamile Vargas Méndez, Ph.D. Universidad Santo Tomás Bucaramanga, Colombia Nelson Jair Castellanos Márquez, Ph.D. Universidad Santo Tomás Bucaramanga, Colombia Ramón Gutiérrez Castrejón, Ph.D. Universidad Nacional Autónoma de México Ciudad de México, México Alberto Gonzales Salvador, Ph.D. Universidad Politécnica de Valencia Valencia, España Mónica Karel Huerta, Ph.D. Universidad Simón Bolívar Caracas, Venezuela Javier Baliosian de Lazzari, Ph.D. Universidad de la República Montevideo, Uruguay Cesar Darío Guerrero, Ph.D. Universidad Autónoma de Bucaramanga Bucaramanga, Colombia La revista ITECKNE ha sido aceptada en los siguientes índices bibliográficos y bases bibliográficas: Sistema Nacional de Indexación y Homologación de Revistas Especializadas CT+I-PUBLINDEX, Categoria B Sistema regional de información en línea para revistas científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal - LATINDEX DIALNET EBSCO Publishing Índice Actualidad Iberoamericana - CIT Qualis Engenharias III: B5 Toda la información contenida en los artículos es sólo responsabilidad de los autores y no representan necesariamente la opinión de la Universidad Santo Tomás. La publicación no se hace responsable por cualquier daño y o perjuicio por el uso de los contenidos de esta revista. Los conceptos y opiniones expresadas en los artículos son responsabilidad exclusiva de los autores. En canje, ITECKNE se puede solicitar a: Biblioteca Universidad Santo Tomás Carrera 18 No 9-27 Teléfono: (57) (7) 6800801 Extensión 2332 Bucaramanga - Colombia E-mail para canje: bibliotecausta@mail.ustabuca.edu.co
Contenido Revista ITECKNE Vol 11 Nº 1 Enero - Junio de 2014 Editorial...5 Yudy Natalia Flórez Ordóñez ARTÍCULOS DE INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓN Evaluación de desempeño de VoIP en redes MANET Performance evaluation of VoIP in MANET...7 Patricia Sing-Borrajo Estudio experimental para establecer los valores de torque de inserción en implante dental Experimental study to establishing the insertion torque on dental implant...17 Clara Isabel López-Gualdrón, Julio Cesar Pinillos, Carlos Fernando Galeano-Arrieta, Juan Carlos Moreno Desarrollo de un sistema embebido con tecnología DSP para un sistema multisensorial (Nariz electrónica) Development of embedded system with DSP technology for multisensor system (Electronic nose)...27 Cristhian Manuel Durán-Acevedo, Isaac Torres-López Implementación en DSPIC de un algoritmo óptimo para la estimación de velocidad de giro Implementation of an optimal algorithm for the estimation of angular speed in DSPICS...41 José Danilo Rairán-Antolines, José Miguel Fonseca-Gómez Incorporación de redes sociales y aplicación de principios de diseño adaptativo para la plataforma moodle Incorporation of social networking and application of responsive design for moodle...50 Dora Luz González-Bañales, César Monárrez-Armendáriz Comportamiento mecánico y la corrosión de aceros de herramientas nitrurados y recubiertos con PAPVD Mechanical behavior and corrosion of steeltools nitrided and coated PAPVD...62 Humberto José Jiménez, Eli Saúl Puchi-Cabrera, Mariana Henriette-Staia Estudio metalográfico del efecto de la velocidad de corte en la microestructura del Ti-6Al 4 V ELI para la empresa Quirúrgicos Especializados Metallographic study of the cutting speed effect on the Ti-6Al 4 V ELI microstructure for the company Quirúrgicos Especializados...71 Javier Ricardo Sánchez-Castillo, Darío Yesíd Peña-Ballesteros, Nerly Deyanira Montañez-Supelano Optimización de la combustión utilizando como criterios de evaluación el índice de Wobbe y el número de metano Combustion optimization using methane number and wobbe index as evaluation criteria...76 Jaqueline Saavedra, María Gómez, Lourdes Merino, Viatcheslav Kafarov
Estudio ab-initio de la estabilidad de las propiedades estructurales y electrónicas del Bi 1-x Mg x O Study ab-initio of the stability of the structural and electronic properties of Bi 1-x Mg x O...84 Gladys Patricia Abdel Rahim-Garzón, María Guadalupe Moreno-Armenta, Jairo Arbey Rodríguez-Martínez Caracterización morfológica de polvos cerámicos para la fabricación de recubrimientos termorrociados Morphological characterization of ceramic powders for thermal sprayed coatings manufacture...93 Miriam del Rosario Romero-Plaz, Andreina Palomo Hernández, Sugehis María Liscano-Durán, Penélope Padilla-Marín ARTÍCULOS DE REVISIÓN Caracterización de canales de comunicación por tráfico y arquitectura de la red: una revisión Characterization of communication channels in terms of traffic and network architecture: a review...99 Leonardo Serna-Guarín, Edilson Delgado-Trejos Instrucciones a los autores Revista ITECKNE...108 Instructions to the authors ITECKNE Journal...111
Editorial La difusión del conocimiento es una de las actividades más complejas de realizar dentro de la comunidad científica; diversas variables influyen en la construcción de este conocimiento y su posterior divulgación. La Revista Innovación e Investigación en Ingeniería ITECKNE trabaja constantemente para incrementar la difusión de la publicación en contextos internacionales, en ese sentido, dentro del plan de gestión se han potenciado tres estrategias: la primera es el fortalecimiento del portal electrónico; la segunda es la incorporación en bases de datos bibliográficas y la última, la reestructuración a mediano plazo de ITECKNE como una publicación en Inglés donde se aceptarán artículos en Español, facilitando así la divulgación de la Revista en Redes Académicas Internacionales. Como editora me es grato comunicarles en esta oportunidad que el Sistema Nacional de Indexación y Homologación de Revistas Especializadas de CT+I, Publindex de Colciencias, ha ampliado la categorización de la Revista en B hasta Junio de 2015. Igualmente, ha sido aceptada por el portal de difusión de la producción científica hispana Dialnet. Estos logros avalan la calidad de los trabajos publicados y la rigurosidad del proceso editorial. Como retos a mediano plazo se espera la indexación de la Revista ITECKNE en la Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal que conforman en Sistema de Información Científica Redalycs y a la biblioteca virtual para Latinoamérica, el Caribe, España y Portugal, Scielo. Para la presente edición se han seleccionado 11 artículos: 1 artículo de revisión y 10 artículos clasificados de investigación; 4 de ellos enviados por universidades extranjeras abordando temas como: comportamiento mecánico y a la corrosión de aceros de herramientas nitrurados y recubiertos con PAPVD; evaluación de desempeño de VoIP en redes MANET; caracterización morfológica de polvos cerámicos para la fabricación de recubrimientos termorrociados e incorporación de redes sociales y aplicación de principios de diseño adaptativo para la plataforma MOODLE.
Agradezco a la comunidad científica y al equipo editorial de ITEC- KNE por la confianza depositada durante años, lo que ha permitido trabajar mancomunadamente en el fortalecimiento de la publicación; invito muy especialmente a nuestros autores a enviarnos para ediciones posteriores sus artículos en idioma Inglés y a divulgar la publicación entre sus aliados académicos nacionales e internacionales. Ing. Yudy Natalia Flórez Ordoñez Ph.D dectele@mail.ustabuca.edu.co Editor
Evaluación de desempeño de VoIP en redes MANET Performance evaluation of VoIP in MANET Patricia Sing-Borrajo Ingeniera de Telecomunicaciones y Electrónica Profesora Universidad Central Marta Abreu de Las Villas. Santa Clara, Cuba psing@uclv.edu.cu Resumen Las redes MANET constituyen una opción atractiva para soluciones de VoIP en escenarios que se caracterizan por la movilidad de los nodos y donde no exista una infraestructura previamente creada. Sin embargo, el soporte de servicios de voz enfrenta desafíos más rigurosos en redes MANET que los que aparecen en otras redes. La dinámica con que cambia la topología causa que algunos parámetros importantes para medir la calidad como el retardo, la pérdida de paquetes y la variación del retardo se vean muy afectados. En este trabajo se mide mediante simulación el impacto que tienen las métricas: número de saltos, carga de tráfico, densidad de los nodos y número de interrupciones de ruta en el desempeño de aplicaciones de VoIP en redes MANET. Con los resultados obtenidos se ha podido comprobar que las métricas estudiadas tienen un comportamiento más inestable en MANET que en otras redes también candidatas a soportar servicios móviles, sin embargo, existe mucha expectativa con la posibilidad de utilizar estas tecnologías (VoIP y MANET) para ofrecer telefonía móvil de bajo costo gracias a la facilidad de despliegue y a la sencillez de su infraestructura. Palabras Claves MANET, ns3, protocolos de enrutamiento, VoIP. Abstract MANET networks are an attractive option for VoIP solutions in scenarios that are characterized by the mobility of nodes and where there is not a previously established infrastructure. However, the voice support faces more rigorous challenges in MANET networks than those of others networks. The dynamic with which topology changes affects important parameters to measure quality such as delay, packet loss and delay variation. In this work we measured the impact of metrics such as hop count, traffic load, node density and number of route breaks have over the performance of VoIP applications in MANET through simulation. Such simulations have allowed the comparison of the behavior of three important routing protocols. From the results reached, it has been shown that the studied metrics have a more unstable behavior in MANET than in other networks that are also candidates to carry mobile services. However, there is a lot of expectation with the possibility of using these technologies (VoIP and MANET) to provide lowcost mobile telephony due to the ease of deployment and simplicity of its infrastructure. Keywords MANET, ns3, routing protocols, VoIP. 1. INTRODUCCIÓN Las redes Ad hoc están formadas por una asociación de nodos que se comunican a través de enlaces inalámbricos; estas redes [1]-[3] surgen bajo el concepto de autonomía e independencia, al no demandar el uso de infraestructura preexistente. Dentro de las redes Ad hoc existen varios tipos: las redes de sensores, las redes mesh, las redes vehiculares (VA- NET, Vehicular Ad Hoc Network) y las redes móviles Ad hoc (MANET, Mobile Ad Hoc Network). Las MANETS son una colección de nodos inalámbricos que forman redes temporales sin requerir infraestructura o administración centralizada. Los nodos se incorporan o abandonan la red constantemente. Por lo tanto, la topología de la red es muy cambiante y aleatoria. Todos los nodos pueden actuar como transmisores, receptores y routers, esto es necesario, ya que las rutas para llegar a un destino pueden tener varios saltos. Una característica fundamental de MANET son los protocolos de enrutamiento, los cuales hacen que estas redes sean una alternativa interesante para su investigación y desarrollo; unido al hecho de que los servicios de telefonía IP representan actualmente una solución atractiva para las empresas; no solo porque generan ahorro, sino también disponibilidad y seguridad. Los últimos años se han caracterizado por un rápido crecimiento del mercado de voz sobre IP (Voiceover IP, VoIP), gracias al bajo costo de esta tecnología basada en paquetes y la fiabilidad de las redes IP actuales. Se cree según [2] que ocurra un suceso similar en las Redes Móviles Ad hoc (Mobile Ad hoc Network, MANET), las cuales ofrecen una plataforma adecuada para el desarrollo de aplicaciones de Recibido: 07/05/2013/ Aceptado: 05/12/2013/ ITECKNE Vol. 11 Número 1 ISSN 1692-1798 ISSN Digital 2339-3483 Julio 2014 7-16
8 ITECKNE Vol. 11 Número 1 ISSN 1692-1798 ISSN Digital 2339-3483 Junio 2014 7-16 voz. De igual forma, VoIP sobre redes MANET enfrenta varios inconvenientes no encontrados en las redes de paquetes convencionales; el aspecto de calidad en las MANET es mucho más crítico, ya que es difícil garantizar niveles o límites de retardo entre redes, variación del retardo o probabilidad de pérdida de paquetes, entre otros, cuando se opera en un entorno altamente dinámico. En los últimos años aparecen varios trabajos que abordan el análisis de los problemas de calidad en la transmisión de tráfico en tiempo real a través de redes MANET. El estudio realizado en [2] plantea la evaluación de la calidad mediante el uso de tres protocolos de ruteo y tráfico VoIP; eligen el simulador OpnetModeler que es software propietario, por lo que se hace difícil la reproducibilidad del experimento. De igual manera, Shin y Schulzrinne [4] han medido la capacidad para tráfico VoIP en una IEEE 802.11 mediante un testbed y han determinado la capacidad teórica para una WLAN soportando llamadas VoIP. En [5], los autores han analizado el rendimiento de los sistemas de VoIP en una red Ad hoc con nodos estacionarios cuando se utilizan dos protocolos de ruteo: AODV y OLSR. En otros [1], [3], [6] los autores han examinado el rendimiento de los sistemas de voz, midiendo parámetros importantes que afectan la QoS como retardo, variación del retardo, ancho de banda, pérdida de paquetes y frecuencia de interrupción del servicio. Estos trabajos han puesto de manifiesto que todavía es necesario mejorar los algoritmos de enrutamiento disponibles para apoyar los servicios de telefonía sobre redes móviles Ad hoc con una calidad satisfactoria, y que los codec de audio empleados afectan el desempeño de tales protocolos de ruteo. Hay que tener en cuenta que las investigaciones realizadas son muy diversas y que las conclusiones a las que llegan están condicionadas a particularidades específicas de la arquitectura de red en la que se llevan a cabo los experimentos, las cuales podrían cambiar en otras condiciones. El hecho de poder ofrecer ciertos niveles de calidad de servicio en redes MANET sigue siendo un tema abierto para la comunidad investigadora, y supone un reto muy interesante dado las dificultades que conlleva. Aún se necesita mucho esfuerzo con el fin de hacer esta tecnología viable para aplicaciones multimedia con requerimientos de QoS; en términos de pérdidas de paquetes, retardo y variación del retardo [6].Atendiendo a que muchos de los trabajos previos y de las publicaciones registradas con respecto a la evaluación de desempeño de las aplicaciones de voz usan experimentos y mecanismos con formas de evaluación diversa, se hace difícil establecer un nivel de comparación equivalente. Este trabajo pretende contribuir con mecanismos de evaluación de la calidad lo cual tiene un impacto directo en el uso que se les puede dar para medir y probar diversos factores que influyen en el desempeño de las aplicaciones de voz en condiciones uniformes. El artículo se presentará de la siguiente manera: en la sección 2 se describen los experimentos, las métricas que van a utilizarse en los mismos y los protocolos de enrutamiento. La sección 3 presenta los resultados y discusión de los experimentos. Posteriormente en la sección 4, se arriban a las conclusiones. 2. MATERIALES Y MÉTODOS Muchos estudios realizados en publicaciones de fuentes arbitradas [1], [3], [6]-[8] coinciden en que las métricas más importantes con el fin de evaluar el desempeño real de una red Ad hoc en un contexto VoIP son: el retardo, el jitter y la pérdida de paquetes. Otras métricas que pueden considerarse significativas son: la cantidad de interrupciones, la cual representa el número de cortes que el usuario experimenta en la llamada telefónica, y la duración de la interrupción, que se aprecia desde el momento en que el protocolo de ruteo avisa que la ruta se ha perdido hasta la disponibilidad de una nueva ruta válida. Esto representa la magnitud del corte que el usuario experimenta en su llamada telefónica [3]. Una característica fundamental de MANET son los protocolos de enrutamiento, ya que estos se tienen que adaptar rápidamente a los cambios constantes de la topología de la red con el fin de mantener una ruta para la comunicación entre los nodos. Existe una gran cantidad de protocolos de ruteo para las redes Ad hoc, los cuales pueden ser más o menos adecuados en cada escenario en concreto. Estos protocolos se pueden dividir en tres grandes grupos [9]-[11], en función del método que utilizan para determinar las rutas: reactivos, proactivos e híbridos. Los protocolos de ruteo reactivo o bajo demanda son aquellos en los cuales se hallan las rutas
Evaluación de desempeño de VoIP en redes MANET - Sing 9 entre un nodo origen y un nodo destino bajo demanda de la fuente. Es decir, que sólo cuando sea necesario iniciar una transmisión se buscará una ruta para realizarla. Una vez establecida la ruta, los nodos que participen en la transmisión se encargarán de su mantenimiento. Las ventajas de este tipo de protocolos es que no necesitan demasiada señalización; lo cual reduce el overhead y optimiza el uso de las baterías, al contrario de lo que sucede con los protocolos proactivos. Sin embargo, el tiempo de establecimiento de las rutas es mayor, ya que cuando se necesita la ruta, se inicia el mecanismo de descubrimiento de ruta, y hasta que éste no termina, no se puede iniciar la transmisión. Un ejemplo de protocolo reactivo es AODV. Los protocolos de encaminamiento proactivos intentan mantener tablas de las rutas actualizadas constantemente. Eso significa que cada nodo debe mantener actualizada una tabla con todas las rutas hacia los otros nodos. La información que contienen las tablas debe actualizarse periódicamente y ante cualquier cambio de la topología de red. Esta actualización constante provoca que estos protocolos generen una gran cantidad de paquetes de señalización (overhead); lo cual afecta a la utilización del ancho de banda, el throughput y el consumo de energía. La ventaja principal que aportan estos protocolos es que el establecimiento de una nueva ruta para iniciar una transmisión precisa de un tiempo muy pequeño al tener todos los nodos las tablas de rutas actualizadas. Ejemplo de este tipo de protocolo son: DSDV y OLSR. Con la simulación se aspira a adquirir trazas de varios escenarios de redes móviles Ad hoc, simulándose dichos escenarios con parámetros diferentes. Con estas trazas se pretende evaluar los parámetros fundamentales que influyen en el desempeño de las aplicaciones de voz. Para todos los experimentos se tuvo en cuenta que: Las aplicaciones de voz son sensibles a la pérdida de paquetes tolerándose hasta un 5 % de pérdidas aunque el 3 % ya afecta la calidad del flujovoip [12]. El retardo promedio para un flujo VoIP debe ser menor que 150 ms para tener una percepción aceptable de la calidad [12]. También se tuvo en cuenta que existe un gran número de simuladores de red disponibles. En esta investigación se eligió el ns3, ya que es software libre y gratuito. Recoge la experiencia de ns2. Está desarrollado en C++; cuenta con gran cantidad de documentación en forma de tutoriales, detalles de la API y artículos. Tiene un diseño óptimo, potente y flexible. Por lo que es la opción más factible para trabajar en la investigación pensando en su desarrollo a mediano y largo plazos. Para la realización de los experimentos se requería una aplicación que imitara tráfico de voz. Desafortunadamente este módulo aún no se encuentra implementado en ns3; por lo que se procedió a modificar las aplicaciones existentes Udp Server y UdpClient para cumplir con los requisitos que se deseaba evaluar. Se modificó el tamaño del paquete a 172 bytes, 12 bytes de cabecera RTP y 160 bytes que corresponden al códec G.711, especificando un intervalo de tiempo entre paquetes de 20 ms. Se transmiten 9000 ó 15 000 paquetes lo que equivale a 3 ó 5 minutos de conversación respectivamente. 2.1. Experimento 1 Este experimento consiste en enviar tráfico VoIP desde un nodo cliente a un nodo servidor e ir incrementando la cantidad de estaciones. Los nodos se separan a una distancia de 100 m que es aproximadamente el área de cobertura para propiciar saltos (estaciones intermedias por las que pasa la información antes de llegar al destino) entre los nodos. El experimento se lleva a cabo con el objetivo de apreciar el desempeño de los diferentes protocolos respecto al número de saltos, ya que está demostrado que existe una degradación de la calidad cuando aumenta el número de estos [1], [5]. Se evalúa la pérdida de paquetes y el retardo, ya que estos parámetros tienen un impacto directo en la calidad percibida por los usuarios. Para la realización de este experimento se usa la topología de red ilustrada en la Fig. 1 y los parámetros de simulación de la tabla I: Fuente: autora Fig. 1. TOPOLOGÍA DEL EXPERIMENTO 1
10 ITECKNE Vol. 11 Número 1 ISSN 1692-1798 ISSN Digital 2339-3483 Junio 2014 7-16 TABLA I PARÁMETROS DE LA SIMULACIÓN DEL EXPERIMENTO 1 TABLA II PARÁMETROS DE LA SIMULACIÓN DEL EXPERIMENTO 2 Parámetros Valor Parámetros Valor Protocolo de ruteo AODV/DSDV/OLSR Protocolo de ruteo AODV/DSDV/OLSR Mac/Phy 802.11b Mac/Phy. 802.11b Área 500x500m Área 800 m x 100 m Tipo de Tráfico VoIP Tipo de Tráfico VoIP Códec G.711 Códec G.711 Cantidad de Paquetes 9000 Cantidad de Paquetes 15 000 Número de Nodos 2-9 Número de Nodos Tiempo de Simulación Modelo de movilidad 30/50/100 con 5 conexiones simultáneas 1000s Random Waypoint/Random Walk2 Tiempo de Simulación 2.2. Experimento 2 1 000 s Este experimento consiste en elegir un área e ir incrementando la cantidad de estaciones; se realiza con el objetivo de evaluar la tendencia del desempeño de los protocolos respecto a la densidad de nodos. Además, para encontrar una densidad adecuada de terminales que permita llevar a cabo otros experimentos, ya que se utilizan modelos de movilidad aleatorios donde se hace difícil la predicción de la ubicación de los nodos y por ende el mantenimiento de la conexión sin pérdidas de enlace producto de ausencia de cobertura. Para la realización de este experimento se usa la topología de red ilustrada en la Fig. 2 y los parámetros de simulación de la tabla II: Fig. 2. TOPOLOGÍA DE RED EXPERIMENTO 2 2.3. Experimento 3 En este experimento se analiza la capacidad para tráfico VoIP, siendo el escenario fundamental un área rectangular (una sola celda) donde se posicionan los nodos aleatoriamente. La capacidad teórica para tráfico VoIP puede ser definida como el máximo número de llamadas que están permitidas simultáneamente en el canal [4]. Un cliente CBR (Razón de Bit Constante) VoIP genera un paquete VoIP en cada intervalo de paquetización y el paquete necesita ser transmitido dentro de este intervalo para evitar la acumulación del retardo. Entonces, el número de paquetes VoIP que pueden ser transmitidos durante un intervalo de paquetización es el máximo número de llamadas simultáneas y es la capacidad para tráfico CBRVoIP [4]. Los parámetros utilizados son similares al experimento 2 como se puede observar en la tabla I. Se utiliza la misma topología del experimento 2. 2.4. Experimento 4 Fuente: autora El siguiente experimento considera un número variable de flujos de datos en la red; se miden la cantidad de interrupciones que se producen en un escenario común donde se agrava la situación en cuanto a la aparición de intervalos sin ruta sobre la base de aumentar el área y disminuir la densidad de nodos.
Evaluación de desempeño de VoIP en redes MANET - Sing Bajo la influencia del experimento 2 se escogió una cantidad de nodos y un área de movilidad que garantizan que la probabilidad de aparición de interrupciones y pérdida de ruta aparezcan con una mayor frecuencia. Los parámetros utilizados son similares al experimento 2 como se puede observar en la tabla I. Se utiliza la misma topología del experimento 2. La tabla III muestra un resumen de las características de los cuatro experimentos realizados. tado que coincide con los presentados en [10]. En este caso se debe a que el protocolo reactivo AODV busca la ruta bajo demanda y, además, lleva a cabo un proceso de mantenimiento de ruta, lo que genera un incremento en la transmisión de tráfico de control al detectar la pérdida del enlace o un cambio en la topología [16] Fig. 3. RETARDO DE LOS PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO EN EL EXPERIMENTO 1 11 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. Experimento 1 En la Fig. 3 puede observarse que con el incremento del número de saltos el retardo promedio también aumenta. Se ilustra que el retardo es bajo cuando el número de saltos es inferior a cinco para AODV (similar resultado se obtiene en el experimento descrito en [1]) y menor a siete para DSDV. OLSR muestra un mejor comportamiento, ya que este protocolo mantiene clusters de nodos en la topología dividiendo los nodos vecinos en vecinos de un salto y de dos, lo que hace más eficiente el proceso de enlace [13]. Se puede verificar además que los protocolos reactivos presentan más retardo que los proactivos, resul- Fuente: autora TABLA III CARACTERÍSTICAS DE LOS EXPERIMENTOS En la Fig. 4 la pérdida de paquetes se expresa como el por ciento de paquetes perdidos respecto al total de paquetes transmitidos. La pérdida de paquetes resulta cuando los paquetes transmitidos no son recibidos en el destino final [1]. Parámetro/Experimento Experimento 1 Experimento 2 Experimento 3 Experimento 4 Protocolo de Ruteo AODV/DSDV/OLSR AODV/DSDV/OLSR AODV/DSDV/OLSR AODV/DSDV/OLSR Mac/Phy 802.11b 802.11b 802.11b 802.11b Área 800m x 100m 500m x 500m 300m x 300m 500m x 500m Tipo de Tráfico VoIP VoIP VoIP VoIP Códec G.711 G.711 G.711 G.711 Cantidad de Paquetes 15000 9000 9000 9000 Número de Nodos 2-9 30/50/100* 30/50/100** 50*** Tiempo de Simulación (s) 1000 1000 1000 1000 Modelo de Movilidad RandomWaypoint/Walk2 RandomWaypoint/Walk2 RandomWaypoint/Walk2 Objetivo Apreciar el desempeño de los diferentes protocolos respecto al número de saltos. * Con 5 conexiones simultáneas. ** Se incrementan las conexiones simultáneas de 5 a 20. *** Número variable de conexiones de datos en la red. Evaluar la tendencia del desempeño de los protocolos respecto a la densidad de nodos. Analizar la capacidad para tráfico VoIP. Verificar la tendencia que presentan los tres protocolos de enrutamiento con el incremento de la cantidad de flujos.
12 ITECKNE Vol. 11 Número 1 ISSN 1692-1798 ISSN Digital 2339-3483 Junio 2014 7-16 Fig. 4. PORCENTAJE DE PAQUETES PERDIDOS DE LOS PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO EN EL EXPERIMENTO 1 Fuente: autora Es necesario mencionar que el número de paquetes de enrutamiento se incrementa de acuerdo con el número de nodos que presenta la red, lo cual es lógico, pues para que la ruta sea descubierta, tanto el intercambio de las tablas de enrutamiento como de los paquetes RREQ (RouteRequest) y RREP (RouteReply) deben ser generados por un mayor número de nodos. Además, se observó en la herramienta Wireshark, que en el protocolo reactivo AODV, mientras más rápido se descubre la ruta más son los paquetes de enrutamiento generados por este. Todo esto contribuye al incremento del nivel de tráfico, lo que unido al aumento del retardo explicado anteriormente ocasiona una mayor probabilidad de pérdida de paquetes. Es necesario mencionar, que a pesar de que los protocolos proactivos OLSR y DSDV muestren un mejor comportamiento en relación con AODV, a partir de los cinco saltos se ven también influenciados por el aumento del tráfico de control y del retardo, fundamentalmente en DSDV, superando el umbral permitido para la pérdida de paquetes. De los resultados de la simulación se puede observar que con menos saltos los protocolos son más estables y se puede proveer mejor QoS. Si la cantidad de nodos se incrementa, y por ende en este experimento el número de saltos, trae como consecuencia un aumento del tráfico de control, del retardo y que las rutas se rompan más frecuentemente; por lo que la calidad empeorará. 3.2. Experimento 2 En la Fig. 5 se observa que para una densidad de nodos entre 30 y 100 estaciones, existe una clara tendencia a que en la medida en que aumenta la densidad de nodos disminuye para todos los protocolos la pérdida de paquetes, comportándose así mismo en ambos modelos de movilidad. Es necesario apreciar que la densidad de nodos para el área determinada tiene un impacto importante en el por ciento de paquetes perdidos, ya que el aumento de los nodos provoca que se pierdan menos paquetes como consecuencia de que se minimiza la pérdida de enlace. Nótese que aparece una gran diferencia del por ciento de paquetes que se pierden en el protocolo OLSR con respecto a DSDV y AODV. Sin embargo, es difícil hacer corresponder la situación concreta que enfrenta cada uno de estos protocolos atendiendo a las características aleatorias del modelo de movilidad que se utilice y a la influencia de la topología inicial [15]. Por ello, el experimento es válido para apreciar la tendencia en el comportamiento para cada uno de los protocolos, pero no para comparar el desempeño de los mismos. Fig. 5. PAQUETES PERDIDOS, MOVILIDAD Y DENSIDAD DE NODOS Fuente: autora En la Fig. 6 se puede observar el retardo promedio, mínimo y máximo de cada conjunto de estaciones respecto a la densidad de nodos y a los modelos de movilidad RWP (RandomWaypoint) y RW2 (RandomWalk2). Se puede observar que en ambas figuras no hay una degradación apreciable del retardo que pueda afectar la calidad percibida por el usuario. Véase que el protocolo OLSR tiene un mejor comportamiento en cuanto al retardo promedio. Al
Evaluación de desempeño de VoIP en redes MANET - Sing respecto, se puede decir que se conoce que OLSR presenta un mejor desempeño en redes densamente pobladas [10]. OLSR minimiza la propagación de tráfico de control al proveer un mecanismo eficiente de diseminación de información basado en el esquema de los Multipoint Relays (MPR) [17]. Bajo este esquema, en lugar de permitir que cada nodo retransmita cualquier información que reciba (flooding clásico), todos los nodos de la red seleccionan entre sus vecinos un conjunto de MPR (retransmisores) encargados de retransmitir los mensajes que envía el nodo en cuestión. Los demás vecinos del nodo no pueden retransmitir, lo que reduce el tráfico generado por una operación de flooding; además, los mensajes Hello son enviados periódicamente por cada nodo de la red a sus nodos vecinos, pero nunca son transmitidos más allá del primer salto desde su emisor (alcance local) [17]. Sin embargo, es necesario insistir en que las características del experimento no facilitan una comparación justa entre los protocolos. puede deducir que la tendencia es que a partir de 15 llamadas simultáneas el retardo aumente más drásticamente, lo que coincide con la capacidad declarada de una 802.11 [4]. Se debe aclarar que la capacidad de los tres protocolos de ruteo no es exactamente 15 llamadas simultáneas sino que está aproximadamente en este valor. Como se observa en la Fig. 7 el retardo promedio no degrada considerablemente la calidad percibida por el usuario, pero cuando el número de flujos se eleva hasta 15 hay un incremento acelerado que llega a comprometer la QoS cuando alcanza alrededor de los 25 flujos (fuera del rango de la Fig. 7). Fig. 7. RETARDO DE LOS PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO EN EL EXPERIMENTO 3 13 Fig. 6. RETARDO, MOVILIDAD Y DENSIDAD DE NODOS Fuente: autora Fuente: autora En el experimento anterior existe una gran dispersión de los datos. Para trabajos futuros se aconseja realizar un número adecuado de simulaciones sucesivas que permitan hacer una validación estadística de los resultados. Lo anterior también es válido para potenciar el experimento con la inclusión de la evaluación comparativa de los protocolos. 3.3. Experimento 3 La Fig. 7 ilustra el retardo promedio que sufren los diferentes protocolos de enrutamiento al incrementar el número de conexiones simultáneas; se La Fig. 8 muestra el promedio así como el mínimo y el máximo del por ciento de los paquetes perdidos. Nótese la dispersión existente entre valor máximo y mínimo. Por ejemplo, en 15 conexiones simultáneas, una de las conversaciones no tiene ninguna afectación y otra, sin embargo, tiene un 6.45 % de paquetes perdidos. Puede observarse que en el caso de 20 conexiones la mayoría de los protocolos supera del 3 % al 5 % de pérdidas invalidando esta cantidad de conexiones simultáneas. Es necesario mencionar que la capacidad de una red 802.11 es baja y que para una sola celda la capacidad de MANET no debe superar la capacidad ya declarada en [4], sin embargo, la posibilidad de que aparezcan varias celdas hace que no sea trivial la determinación del número de conexiones simultáneas para una configuración con una densidad y un patrón de movilidad. Se recomienda realizar este trabajo en estudios futuros, o sea, correlacionar la capacidad con el número de saltos.
14 ITECKNE Vol. 11 Número 1 ISSN 1692-1798 ISSN Digital 2339-3483 Junio 2014 7-16 Fig. 8. PROMEDIO DEL PORCENTAJE DE PAQUETES PERDIDOS PARA LOS PROTOCOLOS DE RUTEO Fuente: autora 3.4. Experimento 4 La Fig. 9 indica la tendencia que presentan los tres protocolos de enrutamiento a aumentar la cantidad de interrupciones con el incremento de la cantidad de flujos; es necesario apreciar que la carga de la red tiene claramente un efecto en esta métrica [3]. Para el protocolo AODV con una pérdida de paquetes de alrededor del 50 % se ha descartado la realización de la corrida para más de 15 flujos simultáneos por considerarse que en términos de calidad son inservibles. En la Fig. 9 se puede observar la mayor presencia de interrupciones en el protocolo AODV, que se puede explicar por la cantidad de tráfico de control observada a través de la herramienta Wireshark. Los mensajes RouteRequest, propios del protocolo cuando pierde la ruta, se observan frecuentemente en Wireshark, debido a la pérdida y el reencuentro del enlace entre estaciones, que se agrava por las condiciones impuestas en el escenario de simulación; y como AODV es un protocolo de naturaleza reactiva que busca las rutas bajo demanda (no tiene al inicio de la conexión una tabla de ruta en las estaciones con toda la topología de red), al perder el enlace necesita iniciar un nuevo proceso de descubrimiento de ruta que conlleva mensajes RREQ, RREP e incluso RERR (RouteError); además de que este proceso fue observado, es necesario mencionar que el funcionamiento del protocolo trae implícito el envío de mensajes frecuentes de broadcastingrreq y reinicialización de rutas para encontrar un camino más óptimo y reciente [18]. También se puede decir que AODV tiene más encabezado en los paquetes, ya que los mensajes Hello añaden un pequeño encabezado pues son mensajes de control periódicos enviados por broadcast en la red cada un segundo para informar a los vecinos que el nodo sigue activo [18]. La Fig. 9 indica que OLSR tiene más cantidad de interrupciones que DSDV; se supone que este comportamiento esté dado fundamentalmente por el aumento del tráfico de control pues a pesar de que OLSR debe comportarse mejor en este aspecto por el hecho de contar con el esquema de los MPR, se conoce que envía mensajes TC (TopologyControl) cada cinco segundos mientras que DSDV envía sus mensajes de señalización cada quince segundos. Otro hecho que tiene un efecto importante en que existan menos interrupciones en DSDV, es que este protocolo tuvo una gran cantidad de pérdidas de enlace que no recuperó, o sea el servicio no se interrumpió simplemente, sino que se perdió; por eso es que en la Fig. 10 se observa la alta relación de paquetes perdidos que presenta DSDV. La Fig. 10 indica la cantidad promedio de paquetes perdidos total y de paquetes perdidos por el proceso de recuperación de ruta. Es necesario recalcar que los paquetes perdidos totales se deben en una gran mayoría a la pérdida del enlace entre las estaciones dada por las condiciones impuestas en el escenario de simulación. Nótese que las interrupciones o las pérdidas de enlace que se producen tienen una repercusión directa en la pérdida de paquetes. Fig. 9. CANTIDAD DE INTERRUPCIONES EN LOS DIFERENTES PROTOCOLOS DE RUTEO Fuente: autora
Evaluación de desempeño de VoIP en redes MANET - Sing 15 Fig. 10. TOTAL DE PAQUETES PERDIDOS Y PAQUETES PERDIDOS POR EL PROCESO DE RECUPERACIÓN DE RUTA Fuente: autora CONCLUSIONES Las MANET ofrecen una plataforma adecuada para el desarrollo de las redes móviles VoIP. Sin embargo, aún deben realizarse muchos esfuerzos para mejorar su desempeño. Una de las principales limitaciones está relacionada con la alta variabilidad de la topología de la red y el comportamiento del canal lo cual influye negativamente en la QoS. En este trabajo se evaluó mediante simulación el soporte de aplicaciones de voz sobre redes MA- NET, a través del uso de métricas importantes que influyen en el desempeño de los diferentes protocolos de enrutamiento. Con los resultados adquiridos en las simulaciones se puede concluir que: Con menos saltos los protocolos de enrutamiento estudiados son más estables y se puede proveer mejor QoS. Si el número de saltos se incrementa, trae como consecuencia un aumento del tráfico de control, del retardo y que las rutas se rompan más frecuentemente; por lo que la calidad empeorará. Con un rango de 30 a 100 estaciones, existe una clara tendencia a que en la medida en que sube la densidad de nodos disminuya para todos los protocolos de ruteo la pérdida de paquetes, comportándose igualmente en los dos modelos de movilidad utilizados (RandomWaypoint y RandomWalk2). La densidad de nodos para un área determinada tiene un impacto importante en el por ciento de paquetes perdidos, ya que el aumento de las estaciones provoca que se pierdan menos paquetes como consecuencia de que se minimiza la pérdida de enlace. La capacidad de conexiones simultáneas de los tres protocolos de ruteo es aproximadamente 15 llamadas, lo que coincide con la capacidad declarada de una 802.11 en [4]. Los tres protocolos de enrutamiento presentan una clara tendencia de aumento de la cantidad de interrupciones con el incremento de la cantidad de flujos, notándose que las interrupciones o las pérdidas de enlace que se producen tienen una repercusión directa en la pérdida de paquetes. Los resultados obtenidos ofrecen una perspectiva en el uso de VoIP sobre MANET, contribuyen con mecanismos para evaluar el desempeño de aplicaciones de voz y sientan las bases para futuras investigaciones. AGRADECIMIENTOS La realización de este artículo no hubiera sido posible sin la estrecha colaboración y compromiso del M. Sc. Carlos Rodríguez López. REFERENCIAS [1] S. el-brak, M. Bouhorma &, A. A.Boudhir, VoIP over MANET (VoMAN): QoS & Performance Analysis or Routing Protocols for Different Audio Codecs, International Journal of Computer Applications, vol. 36, no. 12, pp. 22-26, 2011. [2] S. Mahajan & V. Chopra, Performance Evaluation of MANET Routing Protocols with Scalability using QoS Metrics of VoIP Applications. International Journal of Advanced Research in Computer Science and Software Engineering, vol. 3 no. 2, pp. 150-156, 2013. [3] E. Thibodeau, M. Youssef &, A. C. Houle, Investigating MANET performance in a VoIP context, IEEE CCECE/ CCGEI, pp. 920 923, 2006. [4] S. Shin &, H. Schulzrinne, Measurement and Analysis of the VoIP Capacity, in IEEE 802.11 WLAN, IEEE Transactions on Mobile Computing, vol. 8, no. 9, pp. 1265-1279, 2009. [5] S. Armenia, L. Galluccio, A. Leonardi & S. Palazzo, Transmission of VoIP traffic in multihop ad hoc IEEE 802.11b networks: experimental results, WICON 05: Proceedings of the First International Conference on Wireless Internet, Washington, DC, USA, 2005.
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Estudio experimental para establecer los valores de torque de inserción en implante dental Experimental study to establishing the insertion torque on dental implant Clara Isabel López-Gualdrón Ph. D. (c) Ingeniería Docente UIS, Investigador Grupo INTERFAZ Universidad Industrial de Santander Bucaramanga, Colombia clara.lopez@correo.uis.edu.co Julio Cesar Pinillos M.Sc Diseño Industrial Docente Planta, Investigador Grupo INTERFAZ Universidad Industrial de Santander Bucaramanga, Colombia disjuliopin@uis.edu.co Carlos Fernando Galeano-Arrieta Cirujano oral y maxilofacial Universidad Industrial de Santander Bucaramanga, Colombia cfgalenaoa@gmail.com Juan Carlos Moreno M.Sc Diseño Industrial Docente UIS, Investigador Grupo INTERFAZ Universidad Industrial de Santander Bucaramanga, Colombia fedor@correo.uis.edu.co Resumen El principal propósito del trabajo de investigación consistió en el desarrollo de un estudio para conocer los rangos de valores de torque de inserción del implante dental recomendados para reducir la probabilidad de generar sobrecarga patológica en densidades de tejido óseo de mandíbula de la región molar. Se fabricaron implantes en Ti6Al4V para ser insertados en probetas de tejido óseo de cadáver de mandíbula humana, así como probetas de hueso sustituto Sawbone normalizadas con densidades similares al hueso tipo densidad D2. Los implantes fueron insertados en las probetas registrando la medición del torque de inserción. Los datos obtenidos en el ensayo fueron usados en simulaciones basadas en el método de elementos finitos. De este modo se pudo conocer los valores de torque cuyas deformaciones unitarias fueron inferiores al0.4% de la deformación unitaria en la interfase hueso implante. A partir del caso de estudio, se recomendaron los valores de torque de inserción para ser aplicados en inserción de implantes en una cirugía. Palabras clave Biomecánica y simulación, Implante, Modelos de elementos finitos, Torque. Abstract The main purpose of this research was the development of a study to determine the values of insertion torque recommended to reduce the likelihood of generating pathological overload of mandible molar region due to insertion torque applied to adjust the dental implant. Ti6Al4V dental implants were manufactured to be inserted into bone tissue specimens of human cadaver jaw and similar densities of bone substitute specimens Sawbone normalized like bone density D2 type. Then were measured the insertion torque data recording to adjust the implant at samples. Data from the test were used in simulations based on the finite element method. Through the elastic strain criteria, it was known the strain values less than 0,4% of the elastic strain at the bone implant interface. Based on outputs case study, the values of insertion torque to be applied to insert implants surgery are recommended. Keywords Biomechanical and Virtual Simulation, Implant, Finite element models, Torque. 1. INTRODUCCIÓN En la actualidad, uno de los procedimientos que ha tomado mayor importancia en el campo odontológico y maxilofacial, consiste en el reemplazo de la raíz dental perdida por un elemento protésico conocido como implante dental [1],[2]. En el procedimiento se realiza la inserción del implante en el tejido óseo por medio de la aplicación de un torque de inserción TI. El TI actúa a través de un par torsión aplicado sobre el implante hasta ser fijado firmemente, como un cuerpo roscado en el tejido óseo [3]. Durante la aplicación del TI sobre el implante, es generado el primer esfuerzo al que es sometido el implante y el tejido óseo en la interfase con el implante. La realización de este procedimiento que actúa como un par torsión para asegurar el implante al hueso, es importante para garantizar la estabilidad primaria del implante insertado [4]. De acuerdo con la cantidad y calidad del hueso [5], los esfuerzos producidos por el TI conducen a diferentes niveles de deformación en los materiales de la interfase [6]; si estos niveles de deformación unitaria, son lineales elásticas (temporal), o Recibido: 12/08/2013/ Aceptado: 09/11/2013/ ITECKNE Vol. 11 Número 1 ISSN 1692-1798 ISSN Digital 2339-3483 Junio 2014 17-26
18 ITECKNE Vol. 11 Número 1 ISSN 1692-1798 ISSN Digital 2339-3483 Junio 2014 17-26 son deformaciones no lineales plásticas (permanente) con un rango de deformación unitaria menor al 0.4% lo que sería equivalente a una sobrecarga media; de este modo, se podría continuar con el proceso de remodelación ósea [7], lo cual es adecuado para garantizar la estabilidad primaria [8],[9]. Valores iguales o superiores al 0.4% equivalen a 0,004 mm/mm, a partir de esta deformación, se presenta una sobrecarga patológica, conduciendo a fracturas espontáneas [3],[7]. En consecuencia, si la estabilidad primaria es desfavorable desde la inserción del implante, se puede comprometer el proceso de remodelación ósea, descrito por Misch, desfavoreciendo el proceso de oseointegración requerido para lograr la adecuada fijación permanente del implante [10]. Respecto a los argumentos anteriores, el objetivo del presente trabajo de investigación, fue orientado a obtener un mejor entendimiento sobre el comportamiento biomecánico entre la interfase hueso-implante cuando es sometido al torque de inserción, para establecer las magnitudes de torque permisibles que generen deformaciones unitarias inferiores al 0,4% para evitar incurrir en sobrecarga patológica que se evidenciaría en práctica clínica con la fractura del implante. La metodología fue direccionada por un estudio experimental basado en las mediciones de TI, realizado sobre diferentes densidades de las probetas. Posteriormente, los datos de torque fueron usados en simulaciones biomecánicas y fueron evaluadas por el método de análisis de elementos finitos AEF [11],[12]. Los resultados de los esfuerzos y deformaciones producidos por efecto del TI en la interfase hueso implante, fueron analizados con respecto a la resistencia del hueso e implante[10], estableciendo de este modo por simulación, los rangos de valores de torque adecuados para inserción del implante. 2. COMPORTAMIENTO BIOMECÁNICO En el presente apartado, se discutirá el principio biomecánico teórico sobre el el torque de inserción conocido como la fuerza usada para insertar un implante [13]. El torque actúa como un acumulador de energía o precarga encargada de convertir el par de apriete en una fuerza axial para obtener una deformación en el tornillo. El TI se ha tenido en cuenta como un momento torsor sobre un anillo circular igual M (momento)= K*Fza*dist. [14]. El efecto del torque aplicado hace que las cargas compresivas se transmitan desde la cabeza del implante distribuyéndose por el cuerpo roscado generando compresión sobre el hueso. Dos fuerzas principales actúan en la interfase hueso implante, la primera es la fuerza o carga tangencial y la fuerza o carga normal. La fuerza tangencial es una fuerza distribuida sobre el cuerpo roscado, que actúa como una fuerza de rozamiento o fuerza compresiva representada como Fza=Fza distribuida*área. A partir de las expresiones matemáticas del momento de torsión y la fuerza distribuida mencionadas, se puede deducir una nueva ecuación (1), para realizar el análisis de fuerza de apriete o fuerza compresiva distribuida en el área total de la rosca [15]. Donde el producto de la fuerza tangencial q, n es el número de espiras de longitud roscada, M es igual al valor de torque de inserción α es el ángulo de la fuerza tangencial, R1 es el radio menor y R2 el radio mayor de la sección roscada del implante. Por otra parte, la fuerza originada por contacto entre las interfaces conocida como la normal distribuida, actúa como una fuerza compresiva en la interfase. El análisis de la fuerza normal distribuida en la interfase hueso implante, fue considerada de forma análoga a la relación entre un tornillo convencional y la tuerca. Para obtener el valor de la fuerza normal distribuida en el área total de la sección roscada, se hizo una relación entre la fuerza tangencial distribuida con la fuerza normal p, a través de la expresión p= q/µ, donde µ correspondió al coeficiente de fricción entre la interfase hueso implante [6]. En la Fig. 1, se puede observar las fuerzas tangenciales (flecha azul) y normales (flecha morada) distribuidas sobre la superficie roscada de la interfase hueso implante. A partir de las cargas existentes en el modelo, se producen los esfuerzos de corte (Q) o esfuerzos de rozamiento que puedan generar tensiones tangenciales, producidas por las fuerzas paralelas al plano de sección[5]; y esfuerzos normales N o esfuerzos de contacto producidos por las cargas perpendiculares al plano de sección.
Estudio experimental para establecer los valores de torque de inserción en implante dental - López, Galeano, Pinillos, Moreno 19 Fig. 1. DISTRIBUCIÓN DE LAS FUERZAS TANGENCIALES Y NORMALES EN LA SECCIÓN ROSCADA DEL IMPLANTE obtenidos en función de las diferentes densidades de las probetas, se realizó la etapa complementaria de la investigación experimental sustentada por la obtención del modelo virtual para el desarrollo de las simulaciones. 3.1. Implantes dentales usados en el estudio Distribución de fuerzas tangenciales (flecha azul) y fuerzas normales (flecha morada) en la sección roscada Fuente: autor Basados en el análisis biomecánico teórico realizado, se estableció la base conceptual para llevar a cabo un análisis, a partir de herramientas computacionales de simulación, fundamentado por el método de elementos finitos MEF. El MEF es un método numérico que permite encontrar soluciones aproximadas a problemas físicos o estructurales, gobernados por ecuaciones diferenciales en derivadas parciales. El método está sustentado en la aplicación del método de Rayleigh-Ritz; este método consiste en la discretización del volumen, en subdominios conocidos como elementos interconectados por nodos, definiendo una malla formada por elementos finitos, sobre la cual es aplicado el método de los desplazamientos. De este modo, son obtenidas las magnitudes de esfuerzos, deformaciones unitarias, deformación total entre otros, permitiendo establecer los criterios de falla para evaluar el comportamiento biomecánico de la interfase hueso implante. 3. MATERIALES Y MÉTODOS En el presente apartado, se referencian las dimensiones del diseño del implante y la aleación Ti6Al4V usada su fabricación. Se describen las especificaciones sobre la preparación de las probetas usadas en el ensayo, así como se explica el método establecido para el desarrollo de los ensayos experimentales de TI. Finalmente, con base en los resultados de los valores de torque Se diseñó un modelo CAD (Computer Aided Design) y se fabricó un implante corto de 13 mm de longitud y 3 de conicidad; se diseñó una cabeza plana de sección circular ranurada de 4 mm de diámetro y hexágono interno para el ajuste del pilar. El cuerpo roscado fue modelado con un paso de 1.75 mm. El perfil del diente fue normalizado con tipo de rosca HB, establecido para hueso esponjoso o trabecular, para aumentar el área de contacto con la región porosa del hueso[16]. 3.2. Aleación Ti6Al4V Las aleaciones de Ti son comúnmente empleadas en aplicaciones biomédicas, debido a que el Titanio es un elemento inerte y no reacciona con los fluidos fisiológicos por lo cual es biocompatible [17]. Una de las aleaciones que ha sido tradicionalmente usada en aplicaciones comerciales para la fabricación de dispositivos ortopédicos es la aleación Ti6Al4V [18]. La aleación Ti6Al4V Grade 5 Titanium UNS R56401 ELI (Extra Low Intersticial), según ASTM F 136 [19], es una aleación tipo (α +β), [9]; los elementos de aleación proporcionan mayor solubilidad y resistencia mecánica, alcanzando un módulo de elasticidad de 113.8 GPa, un límite elástico de 860 MPa y un esfuerzo a la fractura de 950 MPa[20]. A partir de estos datos de caracterización mecánica, la aleación de Titanio fue seleccionada en el presente estudio como materia prima para la fabricación de los implantes dentales. 3.3. Preparación de las probetas para la realización del ensayo de torque En el estudio se utilizaron dos tipos de probetas. El primer grupo de especímenes, correspondió a tejido óseo humano de cadáver y el segundo tipo de probeta usado fue con el material Sawbone que está normalizado por la ASTM [21]. La densidad en la región molar de la mandíbula se caracterizó por una capa externa formada por te-
20 ITECKNE Vol. 11 Número 1 ISSN 1692-1798 ISSN Digital 2339-3483 Junio 2014 17-26 jido cortical fino y predominio de tejido trabecular; el tejido fue clasificada tipo D2 [22]. La espuma rígida de poliuretano, es un polímero termoestable poroso e isotrópico. La norma ASTM F1839-08 [21], propone esta espuma para sustituir el tejido óseo en la realización de ensayos en instrumentos ortopédicos. Las muestras fueron suministradas por Pacific Laboratory research world wide, Sawbone. En la Tabla I, se presenta la clasificación de densidades de probetas Sawbone y su respectiva caracterización mecánica. Se prepararon seis probetas de hueso de mandíbula de cadáver humano con dimensión aproximada de 1.5 cm de ancho. 2.5 cm de altura y 2.5 cm de profundidad. La sección del hueso de la región molar fue cortada y embebida en una matriz polimérica de resina poliéster, para unificar las dimensiones de los especímenes, debido a que el ancho de la mandíbula era menor con respecto al ancho de 2.5 cm de las probetas de Sawbone. De esta forma, se pudo garantizar la fijación segura de los especímenes en el porta-probetas. En la Fig. 2, se puede observar la imagen del espécimen o probeta ósea cortada en la región molar. dental. Las probetas de Sawbone fueron cortadas y pulidas en forma de cubos de 2.5*2.5*3.0 cm. Se prepararon 27 probetas de Sawbone, realizándose 3 observaciones por probeta. Las densidades usadas estuvieron entre los Grados: G10, G12, G15 G 20 y G30; se prepararon probetas con densidad combinada para simular el tejido cortical y trabecular; estas probetas fueron: G12/10, G15/12 G20/10, y G30/12. Fig. 3. DIMENSIÓN DE LA PROBETA DE SAWBONE EN PROPORCIÓN CON LA LONGITUD DEL IMPLANTE DENTAL Fig. 2. DIMENSIONES DE LA PROBETA ÓSEA DE LA REGIÓN MOLAR EMBEBIDA EN RESINA POLIÉSTER Fuente: autor 3.4. Ensayo de Torque de Inserción Fuente: autor En la Fig. 3, se puede observar la sección transversal de la probeta Sawbone y su dimensión en proporción con la longitud del implante El ensayo de TI fue realizado siguiendo la norma ASTM F543 A2; se tomaron las mediciones de los valores de torque requerido para ajustar un implante en los especímenes o probetas con diferente densidad. El torque fue aplicado por medio de un Torcómetro digital Modelo DSW-20 con copa 3/8, capacidad de 0.3-20 Nm. El TI medido fue el máximo valor registrado de los cuatro giros de 360 del Torcómetro. La lectura de datos del ensayo fue registrada en tiempo real en el software Winedge. En la Fig. 4, se especifican los componentes del montaje realizado con el Torcómetro digital para probetas de Sawbone y especímenes óseos.