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