ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE FUERZAS DE … · ... Quiroz Gutierrez Fernando, Tratado de Anatomía...
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ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE FUERZAS DE CONTACTO EN ARTICULACIÓN DE RODILLA
Instituto Tecnológico de Celaya
AGUSTÍN VIDAL LESSO
RAUL LESSO ARROYO
LEONEL DAZA BENÍTEZ
J. SANTOS GARCÍA MIRANDA
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN
OBJETIVO
MÉTODO-MODELO CAD-MODELO DE ELEMENTO FINITO
RESULTADOS
CONCLUSIONES
INTRODUCCIÓN
Articulación de rodilla
Una de las más
importantes
Movilidad y soporte al
cuerpo
Daño
•Osteoartritis
• Sobrepeso
• Postura
• Lesiones
•Desgaste de cartílago
•Desalineación
•Dolor
•Inmovilidad
o disminuir o eliminar dolor
Prevenir daño
Fotos de casos de desgaste de cartílago de rodilla
Radiografías e información respectiva (peso, edad, sexo, actividades, etc.)
IMSS-LEON Casos clínicos
Se estiman aprox. 3.5 millones de gente con dolor y alteraciones radiológicas por osteoartritis de rodilla.
Solución final Prótesis de rodilla
-Duración aprox. 10 años
-Costosa
Año 2010
“Se cree que el daño es inducido mecánicamente”
Thambyah et al.(in vitro)
Haut et al. Esf. Máx. de 2.36 MPa (Lateral)
Estado del arte
Esf. Máx. de 2.55 MPa (Medial)
Analizar y simular el comportamiento biomecánico de la articulación de rodilla, utilizando un modelo 3D que incluya el fémur, tibia y cartílago articular y así determinar los diferentes factores que favorecen el daño del cartílago.
OBJETIVO
Donzelli et al. (capas) Esf. Máx. 0.225 MPa
800 N
75 N
Esf. Máx. 14 MPa2400 N
Otros (in vitro) Esf. Máx. 1.9 a 4.6 MPa>1000 N
MÉTODO
Modelo CAD
Espesor de cartílago:
-Falcovitz, Y. H.: 2.25 mm en el cóndilo femoral.
-Barbu-Mcinnis M.: 2.224 mm en la tibia.
Fémur
Cartílago
Tibia
Modelos digitalizados
Brian Greer y Eric L. Wang, Universidad de Nevada en Reno, USA
Fémur y Tibia
MODELO DE ELEMENTO FINITO-Paquete de elemento finito utilizado: ANSYS 10.0
•Consideraciones realizadas:
-Modelo recortado de huesos
-Cartílago: material isotrópico, homogéneo y lineal (E=15 MPa, v=0.475)
-Huesos: materiales ortotrópicos
-Modelo alineado (0º flexión, 178º valgus)
Fuerza resultante aplicada de 700 N en
fémur
•Condiciones de frontera y mallado del modelo
Desplazamientos en el plano XY
restringidos
Tibia fija de la parte inferior
Modelo de elementos finitos (SOLID92, 209878 elementos,
150001 nodos).
RESULTADOSDistribución de esfuerzos equivalentes en el cartílago, MPa.
Cartílago en fémur
Cartílago en tibia
Tabla 1. Esfuerzos máximos obtenidos, MPa.
Fémur Tibia Cartílago del fémur
Cartílago de la tibia
X 1.401 1.332 8.859 6.629Y 2.018 2.747 8.7676 6.293Z 5.610 5.565 10.356 7.067
Von Mises 5.82 6.643 4.437 3.09
-Esfuerzos máximos: interfase hueso-cartílago
-Interfase cartílago-cartílago: 2.4 MPa.
Cóndilo lateral
Cóndilo medial
Distribución de esfuerzos (von Mises) en el cartílago, MPa.
Esfuerzovon Mises
(MPa)
Gráficas del esfuerzo de Von Mises versus carga
Esfuerzovon Mises
(MPa)
Cóndilo medial
Cóndilo lateral
CONCLUSIONES
• El comportamiento biomecánico del cartílago articular, es de gran importancia para el entendimiento de la osteoartritis debido a la acción mecánica.
• La magnitud de esfuerzo máximo obtenido a las condiciones realizadas en este estudio, está por debajo del rango de daño señalado por Thambyah et al.
• Los diferentes factores que pueden incrementar la magnitud de esfuerzos, e implícitamente, la magnitud de daño en el cartílago articular, deben ser analizados con la finalidad de lograr un entendimiento más completo del comportamiento biomecánico de la articulación de rodilla y del desgaste del cartílago articular.
• El lograr este tipo de simulación, en lugar de la realización de pruebas destructivas o invasivas, es uno de los más grandes retos de la biomecánica.
REFERENCIAS[L2] Quiroz Gutierrez Fernando, Tratado de Anatomía Humana, Tomo I, Trigésimotercera edición, México 1994, Pág. 283-292
[L4] Kapandji A. I., Fisiología Articular, Tomo II, 5ta edición, México 1997, Pág. 74-157.
[A3] Haut Donahue T. L., Hull M. L., Rashid M.M., Jacobs C.R. A Finite Element Model of the Human Knee Joint for the Study of Tibio-Femoral Contact. Journal of Biomechanical Engineering, ASME. Vol. 124. pp. 273-280. June 2002.
[A5] Lesso-Arroyo Raúl, Sánchez Jiménez Julio Cesar, Rodríguez Castro Ramón, Balderas López Fernando. Biomechanical Behavior of the Knee Joint Using ANSYS. ANSYS 2004 Conference and exhibition. April 22-24 2004. The Pittsburgh Hilton & Towers.
[A6] Donzelli Peter S., Spilker Robert L., Ateshian Gerard A., Mow Van C. Contact analysis of biphasic transversely isotropic cartilage layers and correlations with tissue failure. Journal of Biomechanics 32(1999) 1037-1047
[A14] Falcovitz, Y H; Chan, S S; Maroudas, A; Sah, R L. Compressive properties of normal human articular cartilage: age, depth and compositional dependencies. 47th Annual Meeting, Orthopedic Research Society, February 25-28, 2001, San Francisco, California.
[W1] The standardized femur program home page
Cartílago articular
Cóndilo lateral
Cóndilo medial
Principales componentes de la rodilla humana:
•Fémur
•Tibia
•Cartílago articular
•Rótula
•Meniscos