Asociación Mexicana de Robótica e Industria, A. C. (AMRob) USO DE HERRAMIENTAS CAD-CAE EN LA GENERACIÓN DE DISPOSITIVOS MÉDICOS (PRÓTESIS)
GRUPO DE BIOMECANICA-ITC M.I. Raúl Lesso Arroyo e-mail: raul.lesso@itcelaya.edu.mx Dr. Agustín Vidal Lesso e-mail: agustin.vidal@itcelaya.edu.mx M.C. Edgar Samuel Vera Contreras e-mail: edsa.vc@gmail.com 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. 38010, Celaya, Gto Tel: (461) 6117575 ext. 5171 y 5272 Colaboradores: Dr. Horacio Orozco Mendoza ITC Dr. A. Mandoqueo Duran -MAC Dr. Leonel Daza Benítez - IMSS Dr. Elías Ledesma Orozco DICIS-UG
Biomecánica
Biomecánica Disciplina científica. Leyes de la Física Analiza Fuerzas Actuantes Estudio de Cuerpo Humano Ingeniería Describe los Movimientos
Biomecánica Permite conocer y proponer soluciones Prótesis, Ortésis, o Dispositivos Biomecánicos La innovación Evita Lesiones o Problemas Médicos Desarrollo de Modelos Dinámicos
Campo de la Biomecánica
FUNDAMENTOS MÉDICOS MATERIALES * ANATÓMICOS * FISIOLÓGICOS * BIOCOMPATIBLE * PESO * COSTO * RESISTENCIA SOCIALES * CULTURA * HABITO * LABORAL * HEREDITARIOS *MATEMÁTICOS * ESTÁTICOS Y DINÁMICOS * DESGASTE * TÉRMICOS Y FLUIDOS TÉCNICOS
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
FUNDAMENTOS Modelo 3D Malla Simulación Resultados
PRÓTESIS CERVICAL 50 % de la población > 18 años. 3 % sufren alteraciones cervicales. Artrosis vertebral Posturas inadecuadas. Accidentes automovilístico. 1, 600, 000 individuos. Hernia
PRÓTESIS CERVICAL. Fusión Artroplastía
PRÓTESIS CERVICAL. DEPENDENCIA TECNOLÓGICA GT IE IS GENERACIÓN DE TECNOLOGÍA IMPACTO ECONÓMICO IMPACTO SOCIAL
PRÓTESIS CERVICAL. QUE CONSIDERAR EN EL ANÁLISIS Movimiento de la columna en sentido anteroposterior y lateral
PRÓTESIS CERVICAL. QUE CONSIDERAR EN EL ANÁLISIS Modelo sólido cervical 2,3 y 4, con respectivos discos y ligamentos
PRÓTESIS CERVICAL. QUE CONSIDERAR EN EL ANÁLISIS Aplicación de condiciones de frontera
PRÓTESIS CERVICAL. Discretización del modelo 3D, asignación de materiales
PRÓTESIS CERVICAL. Resultados del ensamble de vertebras y disco cervical
DESARROLLO DE PRÓTESIS CERVICAL Modelo 3D de Prótesis cervical Propuesta I Propuesta II Propuesta III
Fuerza aplicada 400 N σ= 17.4699 MPa 1 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =10 TIME=400 SEQV (AVG) DMX =.419881 SMN =1.6116 SMX =21.3409 MN MX Y X Z σ= 21.3409 MPa 1.6116 5.99588 3.80374 8.18802 10.3802 12.5723 14.7644 16.9566 19.1487 21.3409 Esfuerzo von Mises (Mpa) 1 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =10 TIME=400 UY (AVG) RSYS=0 DMX =.419881 SMN =-.157192 SMX =.157169 MX Y X Z MN -.157192 -.087334 -.017476.052382.12224 -.122263 -.052405.017453.087311.157169 Desplazamiento UY (mm)
DESARROLLO DE PRÓTESIS CERVICAL Modelo 3D de Prótesis cervical FINAL Prótesis parcial de rodilla
DESARROLLO DE PRÓTESIS CERVICAL Aplicación de condiciones de frontera, materiales
DESARROLLO DE PRÓTESIS CERVICAL Aplicación de condiciones de frontera, materiales
PRÓTESIS CERVICAL DE DISCO Pruebas Experimentales ASTM F2077
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.
Geometría Empleada Fémur (Rígido) Cartílago PCL ACL MCL LCL Menisco Tibia (Rígido)
Definición de los Materiales Curvas de relajación Modelo de Maxwell Modelo generalizado de Maxwell Series de Prony
Definición de los Materiales Modelo matemático de Rivlin Mooney-Rivlin de 5 constantes
Modelo de Elementos Finitos Hexaedros (1mm) Tetraedros (2mm) Tetraedros (1mm) Hexaedros (1.5mm) Tetraedros (0.6mm) Hexaedros (1.5mm) Hexaedros (1mm)
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)
Condiciones de Frontera (ISO 14243-1)
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
RESULTADOS
RESULTADOS Resultados para T=0.14s MEDIAL LATERAL
RESULTADOS
PRÓTESIS DE RODILLA TOTAL Y PARCIAL
DISEÑO DE PRÓTESIS TOTAL DE RODILLA
SIMULACIÓN DEL DISEÑO DE PRÓTESIS TOTAL DE RODILLA
RESULTADOS DE ESFURZOS MÁXIMOS
RESULTADOS DE ESFURZOS MÁXIMOS
Manufactura, Uso de herramientas CAD-CAM Máquina CNC UHMWPE Prototipos
PRÓTESIS DE RODILLA TOTAL Y PARCIAL
SIMULADOR DINÁMICO PARA PRUEBAS DE DESGASTE
PRÓTESIS DE RODILLA TOTAL Y PARCIAL
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.
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CELAYA Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatronica ÁREA DE BIOMECÁNICA Av. Tecnológico con A. García Cubas Col. Fovissste, C.P. 38010 Celaya, Gto.MEXICO Tel. 01-461-61-17575 ext. 5171 Y 5270 GRACIAS..