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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
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CONTENIDO
INTRODUCCIÓN
OBJETIVO
MÉTODO-MODELO CAD-MODELO DE ELEMENTO FINITO
RESULTADOS
CONCLUSIONES
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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
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Fotos de casos de desgaste de cartílago de rodilla
Radiografías e información respectiva (peso, edad, sexo, actividades, etc.)
IMSS-LEON Casos clínicos
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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”
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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
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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
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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)
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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).
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RESULTADOSDistribución de esfuerzos equivalentes en el cartílago, MPa.
Cartílago en fémur
Cartílago en tibia
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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.
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Cóndilo lateral
Cóndilo medial
Distribución de esfuerzos (von Mises) en el cartílago, MPa.
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Esfuerzovon Mises
(MPa)
Gráficas del esfuerzo de Von Mises versus carga
Esfuerzovon Mises
(MPa)
Cóndilo medial
Cóndilo lateral
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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.
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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
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Cartílago articular
Cóndilo lateral
Cóndilo medial
Principales componentes de la rodilla humana:
•Fémur
•Tibia
•Cartílago articular
•Rótula
•Meniscos