Determinación del comportamiento biomecánico de una cadera displásica en un paciente de 1 año de edad: modelo 3D computacional
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2019-10-01
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Universidad Santo Tomás
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Resumen
La cadera es una de las articulaciones más importantes en el ser humano, ya que en ella se soporta el peso del cuerpo durante posturas estáticas y dinámicas. la morfogénesis articular se puede ver afectada por anomalías como la displasia de cadera, que se centra en la afectación de la cavidad acetabular y la cabeza femoral. Los posibles factores que pueden generar dicha condición, incluyen nutrición, genética, género o una combinación de estos. Sin embargo, el entorno mecánico juega un papel principal en la degeneración del cartílago en la articulación [1]. La carga aplicada facilita el flujo de nutrientes en el cartílago, además de proporcionar señales mecánicas esenciales para el mantenimiento normal de las células y tejidos, incluso, influye en el proceso de crecimiento endocondral, debido a esto, las cargas excesivas hacen que se vean afectados los procesos biológicos como crecimiento correcto y formación de la misma cadera [2][3].
Debido a que las presiones de contacto y la biomecánica general de la cadera no se pueden medir directamente in vivo, se han venido aplicando métodos de elementos finitos [4]. En este estudio, se propuso determinar el comportamiento biomecánico de la cadera displásica de un infante de un año de edad. Para este fin se realizó la reconstrucción de un modelo 3D computacional en estado sano a partir de tomografías computarizadas, el cual fue posteriormente modificado para la obtención de dos modelos con condiciones displásicas. A partir de la revisión de la literatura existente acerca de la enfermedad, se seleccionaron condiciones de cambio en el índice acetabular para la generación de la enfermedad en los modelos, los cuales tuvieron índices de 20° (modelo sano), 25° y 30° (modelos afectados).
Los modelos fueron llevados al software ANSYS 19.1 ® en el cual fueron debidamente resueltos. Se llevó a cabo una revisión de literatura de trabajos relacionados con el estudio de tejido óseo, para determinar las propiedades de los materiales que se asignaron a cada una de las partes que componen la articulación. Las condiciones de carga aplicadas se basaron en el modelo de bipedestación descrito por Pauwels [5]. Además, se dieron las condiciones de contacto pertinentes entre los diferentes cuerpos de los modelos y se realizó el mallado y su respectiva refinación, para posteriormente dar solución.
Los resultados obtenidos mostraron evidentes cambios en los esfuerzos y presiones de contacto para los modelos de mayor afectación patologica. Se evidenciaron aumentos en los esfuerzos a nivel articular de 2,787 MPa en el modelo sano a 6,9625 MPa en el modelo más crítico y aumentos de las presiones de contacto en el cartílago acetabular de 2,8746 MPa a 7 MPa. Estos valores y sus distribuciones fueron comparados con datos obtenidos de la literatura especializada existente, con el fin de validar el estudio realizado.
Abstract
The hip is one of the most important joints in the human being, since it supports the weight of the body during static and dynamic postures. Joint morphogenesis can be affected by abnormalities such as hip dysplasia, which focuses on the involvement of the acetabular cavity and the femoral head. Possible factors that can generate such a condition include nutrition, genetics, gender or a combination of these. However, the mechanical environment plays a major role in the degeneration of cartilage in the joint [1]. The applied load facilitates the flow of nutrients in the cartilage, in addition to providing essential mechanical signals for the normal maintenance of cells and tissues, even influences the endochondral growth process, due to this, excessive loads cause them to be affected biological processes such as correct growth and formation of the same hip [2] [3].
Because contact pressures and general biomechanics of the hip cannot be measured directly in vivo, finite element methods have been applied [4]. In this study, it was proposed to determine the biomechanical behavior of the dysplastic hip of a one-year-old infant. For this purpose, the reconstruction of a 3D computational model in a healthy state was made from computed tomography, which was subsequently modified to obtain two models with dysplastic conditions. From the review of the existing literature about the disease, conditions of change in the acetabular index were selected for the generation of the disease in the models, which had rates of 20 ° (healthy model), 25 ° and 30 ° (affected models).
The models were taken to the ANSYS 19.1 ® software in which they were duly resolved. A literature review of works related to the study of bone tissue was carried out to determine the properties of the materials that were assigned to each of the parts that make up the joint. The loading conditions applied were based on the standing model described by Pauwels [5]. In addition, the relevant contact conditions between the different bodies of the models were given and the meshing and their respective refining were performed, to subsequently give solution.
The results obtained showed evident changes in the stresses and contact pressures for the models with the greatest pathological involvement. Increases in joint effort were evidenced from 2,787 MPa in the healthy model to 6.9625 MPa in the most critical model and increases in contact pressures in acetabular cartilage from 2.8746 MPa to 7 MPa. These values and their distributions were compared with data obtained from the existing specialized literature, in order to validate the study.
Idioma
spa
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Citación
Ardila López, J. J. (2019). Determinación del comportamiento biomecánico de una cadera displásica en un paciente de 1 año de edad: Modelo 3D computacional
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