Estudio fotoelástico de tensiones de contacto en el componente tibial de la artroplastia total de rodilla

García Palma, Anselmo (2017). Estudio fotoelástico de tensiones de contacto en el componente tibial de la artroplastia total de rodilla. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Estudio fotoelástico de tensiones de contacto en el componente tibial de la artroplastia total de rodilla
Author/s:
  • García Palma, Anselmo
Contributor/s:
  • Ros Felip, Antonio
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Date: July 2017
Subjects:
Freetext Keywords: Artroplastia total de rodilla (ATR), componente tibial, fotoelasticidad, tensión y áreas de contacto
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Mecánica
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La articulación de la rodilla es una de las más complejas del cuerpo humano y constituye un caso asombroso de solución de severas exigencias cinemáticas, de estabilidad y de carga que se dan en la misma. Sin embargo, el equilibrio entre las acciones musculares y las reacciones articulares y ligamentosas, la correcta orientación de los ejes anatómicos, la congruencia de las áreas de contacto, las correspondientes distribuciones de tensión y otros aspectos clave, son perturbados por deformidades, enfermedades y traumatismos. La artroplastia total de rodilla (ATR) es una de las cirugías ortopédicas existentes en la actualidad, para solventar algunos de los problemas que pueden surgir en la articulación de la rodilla. La ATR es una cirugía muy extendida. En 2012, se practicaron 42.451 intervenciones de artroplastia de rodilla en España, por lo que 1 de cada 479 adultos mayores de 45 años fue sometido a un reemplazo de rodilla. De todas estas intervenciones, un 90% fueron artroplastias primarias, mientras que un 10% fueron revisiones de una artroplastia anterior. Los pacientes sometidos a esta operación son ya muy numerosos y van en aumento. Sin embargo, las prótesis para rodilla son de las menos conseguidas en el mundo de la cirugía protésica. Tienen una duración y una satisfacción considerablemente menores que otras prótesis como son las de cadera. La indicación de una ATR se fundamenta en el dolor, la impotencia funcional marcada y los signos radiológicos de lesión grave articular en un paciente relativamente sedentario, que no se puedan controlar con tratamientos alternativos. Para establecer la indicación es necesario integrar múltiples variables como la edad, las patologías asociadas, las demandas funcionales, la actitud psicológica y las consideraciones técnicas. Es asimismo importante la identificación de los pacientes con riesgo de fracaso. El éxito de la ATR depende directamente del restablecimiento de la normal alineación de las extremidades inferiores, del diseño y la orientación adecuados del implante, de la fijación segura del mismo y de un adecuado equilibrio y estabilidad de los tejidos blandos. El centro de la cadera, la rodilla y el tobillo se vuelven a situar sobre una línea recta, estableciendo un eje mecánico neutro. Los componentes femoral y tibial están orientados perpendicularmente a este eje. Cuando los traumatólogos recurren a la ATR para restaurar la función fisiológica de la articulación, se enfrentan a un problema de profunda raíz biomecánica sin disponer habitualmente de la formación ingenieril necesaria. Así, sus decisiones tienen un marcado carácter subjetivo y se basan en prácticas y métodos fundamentados en el seguimiento clínico y en procedimientos simples de prueba y error. Por otro lado, en la ATR persisten muchos temas de discusión, como la conservación o no del ligamento cruzado posterior, el uso de cemento de anclaje, los modelos de componente tibial de polietileno, su sustitución por plataformas móviles o las consecuencias del mantenimiento de la rótula con un determinado tamaño. Ante todas las dificultades y las variantes que presenta esta cirugía, se hace evidente la necesidad de la colaboración del mundo de la ingeniera para solventar algunos de los problemas existentes. Este trabajo pretende aportar esta visión ingenieril a la ATR, siendo el objetivo principal del mismo el desarrollo de un procedimiento adecuado para analizar las áreas y tensiones de contacto en el componente tibial de la ATR. Los resultados de este trabajo van destinados a los traumatólogos encargados de realizar la ATR y a los diseñadores de las prótesis, con el fin de intentar mejorar la técnica quirúrgica y la duración de las prótesis. Estas mejoras podrían incrementar la calidad de vida de las numerosas personas que se someten a esta operación y ampliar los movimientos y las actividades que son capaces de realizar los pacientes tras la operación. Para cumplir esta misión era posible recurrir a estudios numéricos o experimentales. En el caso de los estudios numéricos se optaría por los elementos finitos y en el de los estudios experimentes se contemplaban tres técnicas posibles: la extensometría eléctrica, la utilización de sensores de presión y la fotoelasticidad. Los elementos finitos fueron descartados por las incertidumbres de todo tipo presentes en el problema: los estados de carga, las condiciones de contorno, las condiciones de contacto y las características mecánicas de los materiales constituyentes. En cuanto a las técnicas experimentales, la extensometría eléctrica es inviable para estudiar directamente problemas de contacto, quedando la fotoelasticidad y los sensores de presión como técnicas más adecuadas y asequibles. Se ha recurrido a la fotoelasticidad por el conocimiento y la experiencia en esta técnica del Laboratorio de Resistencia de Materiales de la ETSII-UPM, además de ser una técnica más económica. Otra ventaja importante de la fotoelasticidad es que permite una visualización directa de las tensiones internas presentes en las piezas estudiadas. Sus resultados se presentan en forma de franjas coloreadas de interpretación rápida e intuitiva, incluso para personal no especializado. Es importante destacar que no se han encontrado en la literatura científica referencias a trabajos similares empleando fotoelasticidad. Tras la elección de la técnica se elaboró el procedimiento experimental. Primero, se desarrolló un modelo físico in vitro simplificado de la rodilla mediante la reproducción de huesos reales en resina de poliuretano y se reprodujo el componente tibial de polietileno en resina epoxi. A continuación, se realizó la réplica ATR en el modelo físico. En esta fase se ha contado con la asesoría y el apoyo de Gustavo Aparicio Campillo, médico traumatólogo del Hospital Clínico Carlos III de Madrid. Posteriormente, se construyó una cámara isoterma en la que poder realizar los ensayos basados en la técnica fotoelástica, en su variante de congelación de tensiones. Finalmente, se realizaron los ensayos para determinar las cargas y las áreas de contacto en la ATR variando la posición relativa entre la tibia y el fémur desde los 0° a los 90°, que se corresponde con la pierna completamente estirada (extensión) y con la pierna cuando se está sentado (flexión) respectivamente. Se llevaron a cabo ensayos cada 15° para tener resultados que cubriesen de una forma adecuada todo el rango de posibles posiciones. Por otra parte, también se realizaron ensayos para comprobar la repetibilidad de los resultados. Los resultados obtenidos son de enorme utilidad para los traumatólogos, ya que la posibilidad de visualizar las tensiones internas de los componentes que manejan, les permite comprobar diseños y modelos e identificar problemas de sobrecargas. De los resultados se han obtenido las siguientes conclusiones: •Las tensiones en el componente tibial tienden a distribuirse de forma asimétrica y localizada, quedando amplias zonas libres de carga. A medida que se pasa de flexión a extensión, el contacto se va trasladando de la zona posterior hacia delante y lateralmente en sentido interno. •Para ángulos de flexión entre 45° y 60° aparecen tensiones máximas debidas a “efectos punta”, esto es, contactos muy puntuales entre los componentes femoral y tibial, potenciados por la gran diferencia de rigidez entre el componente femoral metálico y el polimérico tibial (polietileno en la realidad y resina epoxi en estado elastomérico en el ensayo). En el caso de que exista un componente tibial cementado, se puede producir una aceleración del desgaste por la eventual interposición de partículas procedentes de la fragmentación del cemento. •La distribución de tensiones internas es una importante aportación a la reflexión sobre las actuales geometrías de los componentes de la ATR, en las que no se da una congruencia entre el componente femoral (asimétrico) y el tibial (simétrico).

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Item ID: 47641
DC Identifier: http://oa.upm.es/47641/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:47641
Deposited by: Biblioteca ETSI Industriales
Deposited on: 05 Sep 2017 07:15
Last Modified: 05 Sep 2017 07:15
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