Aplicación de técnicas experimentales optomecánicas de campo continuo para el análisis de tensiones y deformaciones en la articulación del hombro humano

Almeida Galárraga, Diego Alfonso (2018). Aplicación de técnicas experimentales optomecánicas de campo continuo para el análisis de tensiones y deformaciones en la articulación del hombro humano. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.52730.

Descripción

Título: Aplicación de técnicas experimentales optomecánicas de campo continuo para el análisis de tensiones y deformaciones en la articulación del hombro humano
Autor/es:
  • Almeida Galárraga, Diego Alfonso
Director/es:
  • Ros Felip, Antonio
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2018
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Departamento: Ingeniería Mecánica
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

La Biomecánica ayuda a entender el funcionamiento habitual de los organismos, a caracterizar el comportamiento de tejidos y órganos vivos desde el punto de vista mecánico, a predecir los cambios que sufren debido a alteraciones y, a proponer métodos de intervención. La compleja anatomía del hombro lo convierte en una articulación que puede tener alteraciones biomecánicas, especialmente, cuando se realizan artroplastias o reparaciones protésicas. Por lo tanto, es importante realizar estudios mediante ensayos experimentales para identificar el funcionamiento óptimo de la prótesis y sus posibles complicaciones. La artroplastia invertida de hombro (RSA por sus siglas en ingles de Reverse Shoulder Arthroplasty) es un tratamiento quirúrgico para la patología del manguito rotador deficiente, la cual ha superado a modelos anteriores (hemiartroplastia, artroplastia anatómica) y, actualmente, se utiliza con otras patologías muy prevalentes (fracturas de húmero proximal, secuelas postraumaticas, etc). La RSA consiste en la sustitución de los componentes óseos anatómicos por dos implantes que suplen la función de los mismos. Este tipo de prótesis se caracteriza por tener la cavidad glenoidea convexa y la cabeza humeral cóncava, al revés de la disposición anatómica de la articulación. Los modelos fotoelásticos hueso-prótesis se construyen mediante técnicas de moldeo en bloque. Las características anatómicas, ópticas y mecánicas del modelo sintético prótesis-hueso de esta tesis son semejantes al hombro con RSA. Por encima de la temperatura de transición vítrea del material, para realizar los ensayos de congelación de tensiones, la relación de rigidez entre los módulos de los materiales reales y los del ensayo se encuentran en el orden de magnitud. Por lo tanto, se puede decir que los ensayos de los modelos fotoelásticos se aproximan a la realidad. El modelo físico del hombro es muy útil para visualizar y comprender los cambios físicos provocados por la artroplastia a 90 grados de abducción. El montaje del modelo con RSA medializa el centro de rotación de la articulación glenohumeral, alargando el brazo de palanca del músculo deltoides, para reforzar y estabilizar la articulación, compensando de esta manera la función del manguito de los rotadores. El estudio es un análisis cualitativo de tensiones y deformaciones de los modelos sintéticos de la articulación del hombro diseñados, aplicando fotoelasticidad, una técnica óptica de campo continuo que permite una visualización directa de la distribución de tensiones. La fotoelasticidad es un método de análisis en un material fotoelástico cargado estáticamente o dinámicamente, en el cual se puede visualizar mediante luz polarizada las líneas o franjas de tensiones dentro del objeto. El análisis de fotoelasticidad se realiza mediante la técnica de congelación de tensiones, que continúa siendo el principal método para evaluar las tensiones internas y externas con modelos biomecánicos. El método de congelación por tensiones permite bloquear las tensiones internas en un modelo fotoelástico tridimensional, mediante ensayos a temperaturas por encima de la de transición vítrea del material (60 ⁰C). A esta temperatura algunos materiales pierden rigidez manteniéndose en régimen elástico, lo que permite obtener mayores deformaciones y, con ellas, espectros fotoelásticos más densos, con la misma carga que a temperatura ambiente. Además, al bajar la temperatura manteniendo las cargas aplicadas, las deformaciones quedan permanentes, y el espectro fotoelástico correspondiente puede estudiarse en la pieza liberada de los elementos de montaje, o incluso puede cortarse en láminas delgadas permitiendo los estudios de casos tridimensionales. El objetivo de esta tesis es la evaluación experimental mediante fotoelasticidad de la articulación glenohumeral con RSA a 90 grados de abducción, tomando en cuenta dos modelos de prótesis: Delta XTEND (DePuy) y SMR (Lima). El modelo físico permite el estudio de muchos problemas asociados con RSA. Este trabajo se diseñó para estudiar las tensiones de tracción y compresión asociadas a las prótesis. Sin embargo, con el tiempo, el proyecto evolucionó para abordar los factores y complicaciones presentados en la literatura, como el brazo o la fuerza del momento del deltoides, la versión glenoidea, la altura de la cúpula humeral (h), la inestabilidad, etc. El modelo ha sido validado y es una metodología eficiente para analizar otras variables de los implantes para trabajos futuros. ----------ABSTRACT---------- Biomechanics helps to understand the normal functioning of organisms, to characterize the behavior of living tissues and organs from the mechanical point of view, to predict the changes they suffer due to alterations and to propose methods of intervention. The complex anatomy of the shoulder makes it a joint that can have biomechanical alterations, especially when performing arthroplasties or prosthetic repairs. Therefore, it is important to conduct studies using experimental tests to identify the optimal functioning of the prosthesis and its possible complications. Reverse shoulder arthroplasty (RSA) is a surgical treatment for deficient rotator cuff pathology, which has surpassed previous models (hemiarthroplasty, anatomical arthroplasty) and, currently, it is used with other very prevalent pathologies (proximal humerus fractures, posttraumatic sequelae, etc). RSA consists of the replacement of the anatomical bone components by two implants that replace the function of the same ones. This type of prosthesis is characterized by having the convex glenoid cavity and the concave humeral head, unlike the anatomical arrangement of the joint. The photoelastic bone-prosthesis models are constructed by block casting techniques. The anatomical, optical and mechanical characteristics of the synthetic prosthesis-bone model of this thesis are similar to the shoulder with RSA. Above the glass transition temperature of the material, to perform the stress freeze tests, the stiffness ratio between the modules of the actual materials and those of the test are in the order of magnitude. Therefore, it can be said that the trials of the photoelastic models are close to reality. The physical model of the shoulder is very useful to visualize and understand the physical changes caused by the arthroplasty at 90 degrees of abduction. The assembly of the model with RSA medialized the center of rotation of the glenohumeral joint, lengthening the lever arm of the deltoid muscle, to reinforce and stabilize the joint, thus compensating for the function of the rotator cuff. The study is a qualitative analysis of stresses and deformations of the synthetic models of the shoulder joint designed, applying photoelasticity, a continuous field optical technique that allows a direct visualization of the stress distribution. Photoelasticity is a method of analysis in a static or dynamically charged photoelastic material, in which the lines or bands of stresses within the object can be visualized by polarized light. The photoelasticity analysis is carried out using the stress freezing technique, which continues to be the main method for evaluating internal and external stresses with biomechanical models. The stress freezing method allows the internal stresses to be blocked in a three-dimensional photoelastic model, by testing at temperatures above the glass transition temperature of the material (60 ⁰C). At this temperature, some materials lose rigidity while remaining in an elastic regime, which allows greater deformations and, with them, denser photoelastic spectra, with the same load as at room temperature. In addition, by lowering the temperature while maintaining the applied loads, the deformations are permanent, and the corresponding photoelastic spectrum can be studied in the piece released from the mounting elements, or it can even be cut into thin sheets allowing three-dimensional case studies. The objective of this thesis is the experimental evaluation by photoelasticity of the glenohumeral joint with RSA at 90 degrees of abduction, taking into account two prosthesis models: Delta XTEND (DePuy) and SMR (Lima). The physical model allows the study of many problems associated with RSA. This work was designed to study the tension and compression tensions associated with prostheses. However, over time, the project evolved to address the factors and complications presented in the literature, such as the arm or force of the deltoid moment, the glenoid version, the height of the humeral dome (h), instability, etc. The model has been validated and is an efficient methodology to analyze other variables of implants for future work.

Más información

ID de Registro: 52730
Identificador DC: http://oa.upm.es/52730/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:52730
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.52730
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 05 Nov 2018 07:58
Ultima Modificación: 05 Nov 2018 07:58
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