ANLISIS Y SIMULACIN DEL DESGASTE DE CARTLAGO DE

ARTICULACIN DE RODILLA

Estudiantes: Ing. Agustn Vidal Lesso (ITC) M.I. Ral Lesso Arroyo (ITC)

Asesor: Dr. Leonel Daza Bentez (IMSS de Len)

RESUMEN Actualmente algunas investigaciones han encontrado que el cartlago articular posee una limitada capacidad de reparacin. Se sabe que algunas lesiones traumticas y osteoartrticas degenerativas provocan la degradacin del cartlago y la destruccin de la superficie articular, lo cual lleva, en la mayora de casos, a un reemplazo total o parcial de la articulacin 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 cartlago en la articulacin de rodilla implicando analizar y simular el comportamiento biomecnico de la articulacin para establecer parmetros de peso, edad, posicin de huesos y sus efectos sobre el cartlago, elemento de interfase entre fmur y tibia, que al desaparecer o calcificarse estos huesos entran en contacto directo y causan los dolores por osteoartritis. INTRODUCCIN La rodilla humana es una de las articulaciones ms importantes del cuerpo humano, sta permite regular la distancia del cuerpo con respecto al suelo y permite, a travs de su movimiento de flexin-extensin, el desplazamiento del cuerpo para la realizacin de las diferentes actividades de la vida diaria. La bibliografa mdica describe completamente la anatoma de la rodilla, la cual est compuesta principalmente por el fmur, la tibia, la rtula, meniscos y cartlago articular. Algunas lesiones traumticas y osteoartrticas degenerativas provocan la degradacin del cartlago y la destruccin de la superficie articular, lo cual produce dolor e inmoviliza a la persona. Los casos con dolor y alteraciones radiolgicas por osteoartritis son derivadas por diferentes causas, como son: alimentacin, patolgicas, malos hbitos de posturas durante el trabajo, pero la principal causa son los problemas de sobrepeso. Esta ltima origina variacin en la alineacin de las extremidades inferiores, tibia y fmur principalmente, tanto en mujeres como en los hombres. Esta enfermedad produce rigidez en la articulacin, causa mucho dolor y limita su movimiento. La solucin final a este tipo de enfermedad es el reemplazo total de la articulacin cuya duracin en promedio no llega a los diez aos, adems de ser muy costosas por gastos de ciruga y prtesis. Se estima que en la poblacin mayor de 60 aos cerca de un 35 % tendrn dolor y

alteraciones radiolgicas, que de acuerdo a lo proyectado en el estudio para el ao 2010 sern aproximadamente 10 millones de mexicanos con cerca de 60 aos, lo que significaran 3.5 millones de gente con dolor y alteraciones radiolgicas por osteoartritis de rodilla. OBJETIVO El objetivo principal de este proyecto es continuar con la revisin del estado del arte y la simulacin de articulacin de rodilla, para proveer la informacin necesaria para el desarrollo de una prtesis econmica, de alta durabilidad. Objetivos especficos.

Revisin y bsqueda de informacin. Simulacin de la articulacin de rodilla para observar el efecto del

cartlago. Diseo y desarrollo de pruebas de prototipos virtuales. Difundir los resultados de la investigacin.

MATERIALES Y MTODOS La metodologa seguida para lograr el objetivo principal propuesto en este proyecto, fue la siguiente:

1. Bsqueda de informacin y revisin de bases de datos. 2. Obtencin de artculos relacionados con la articulacin de rodilla. 3. Actualmente se cuenta con modelos digitalizados del fmur y tibia pero

presentan algunos problemas de geometra y por ello es necesario digitalizar otros modelos para tener una mejor representacin de las dimensiones reales de estos huesos, as como de las posibles prtesis a utilizar como elementos de referencia.

4. Aunado a los modelos digitalizados es necesario la obtencin y generacin de modelos de CAD para las simulaciones de prtesis de rodilla que incluyan los huesos base y el cartlago.

5. El paso siguiente de este proyecto es la simulacin y revisin de nivel de desgaste en los ensambles de las prtesis bajo condiciones de prueba reales.

6. Las simulaciones anteriores darn la pauta para la creacin de un prototipo virtual de prtesis de rodilla.

7. La obtencin de parmetros proporcionados por el prototipo virtual, permitir seleccionar los elementos y materiales para el armado de la prtesis fsica.

RESULTADOS La bsqueda de informacin y revisin de bases de datos ha proporcionado los siguientes resultados: Bibliografa mdica (descripcin de la anatoma de la rodilla). Diversos artculos que proporcionan informacin sobre:

- Propiedades mecnicas de los huesos y cartlago. - Anlisis cinemticos y dinmicos de la articulacin de la rodilla.

- Modelos analticos del comportamiento del cartlago. - Anlisis mediante el mtodo de elemento finito de la rodilla y sus

consideraciones realizadas. - Resultados de pruebas experimentales in vitro de rodillas sometidas a

cargas para determinar la presin mxima en la zona de contacto tibia-fmur.

- El espesor del cartlago articular en fmur y tibia y su distribucin. Fotos, radiografas e informacin (peso, edad, sexo, actividades) respectiva

a diferentes casos de problemas de desgaste de cartlago articular en rodilla.

Resonancias magnticas de una rodilla sana y otra con problemas. Para la generacin del modelo CAD, se trabajo con los modelos digitalizados que se tienen actualmente y se gener un modelo que incluye el cartlago articular tanto en el fmur como en la tibia que basndose en la informacin obtenida, se consider un espesor de cartlago de 2.25 mm en el fmur y 2.224 mm en la tibia.

Fmur

Cartlago Tibia

Figura 1. Modelo CAD de rodilla con cartlago articular Se realiz la simulacin de la rodilla respecto a la aplicacin de cargas con el objetivo de observar el efecto del peso en el cartlago, para ello se utiliz el paquete de elemento finito ANSYS 10.0. El cartlago se consider como material isotrpico, homogneo y lineal (E=15 MPa, v=0.475) y los huesos como materiales ortotrpicos. Se aplic una carga en direccin -z de 700 N en el fmur, equivalente al peso de una persona de 71 Kg; se restringieron los desplazamientos del fmur y cartlago en el plano XY, simulando el efecto que realizan los msculos y se restringieron los grados de libertad de la tibia en su parte inferior simulando que est fija.

Figura 2. Modelo de elementos finitos del modelo generado (SOLID92, 209878 elementos, 150001 nodos).

Figura 3. Distribucin de esfuerzos equivalentes en el cartlago articular del fmur con una carga aplicada de 700 N, 0 de flexin y alineado.

Figura 4. Distribucin de esfuerzos equivalentes en el cartlago articular de la tibia con una carga aplicada de 700 N, 0 de flexin y alineado. CONCLUSIONES Y DISCUSIN La magnitud de esfuerzo mximo, a las condiciones dadas, se presenta en

el cartlago del fmur, ste es menor que el lmite de cedencia del cartlago (25MPa), lo cual indica que no sufre dao a la magnitud de carga aplicada, sin embargo, se espera que al aplicar la desalineacin, incrementar el peso de la persona o aplicar condiciones de carga durante la caminata, los esfuerzos mximos se incrementarn produciendo dao en el cartlago.

Los resultados obtenidos proporcionarn la informacin base para el desarrollo de una prtesis de articulacin de rodilla.

El desarrollo de un prototipo virtual cada vez ms real de la rodilla ayudar a entender mejor su comportamiento biomecnico y disminuir las pruebas destructivas.

El uso del elemento finito para anlisis biomecnicos, es una herramienta que puede ayudar al entendimiento y solucin de problemas de la salud del ser humano.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

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DIRECCIONES ELECTRNICAS http://www.elsevier.com/locate/medengphy http://www.sciencedirect.com