Construcción de Modelos de Elementos Finitos para el Análisis Mecánico de la Estructura Ósea del Miembro Superior

A.P. CISILINO; F.C. BURONI; D.S. D’AMICO; M.R. SAMMARTINO; C. CAPIEL

Modelización Aplicada a la Ingeniería Volumen 2

Universidad Tecnológica Nacional

Lugar: Buenos Aires; Año: 2008;

Los recientes avances en la tecnología aumentan día a día la esperanza de una vida más larga y de mejor calidad por medio de la aplicación de una medicina más eficiente y menos invasiva. Estos avances  se deben a la  acción interdisciplinaria de investigadores que conjugan conocimientos médicos e ingenieriles. El presente trabajo se encuadra en el área de la biomecánica, que es “la ciencia dedicada a estudiar la mecánica de los seres vivos para entender su funcionamiento, y predecir luego su comportamiento” (Turner y Burr, 2001). Los desarrollos en biomecánica resultan en aportes importantes a la traumatología y ortopedia. Éstos a su vez tienen una alta demanda social por el elevado número de individuos que presentan problemas o trastornos en el aparato locomotor o en los miembros superiores como consecuencia de enfermedades o accidentes. El estudio de la biomecánica se puede dividir en varias etapas como son la observación y entendimiento del sistema músculo esquelético, el modelado, la teorización, la experimentación y la validación. Todas estas etapas se han visto potenciadas en las últimas décadas a partir de la contribución de las computadoras en la adquisición,  el análisis, el procesamiento y la visualización de datos. En particular, la simulación computacional permite crear los medios virtuales para el diseño, la creación y la evaluación de dispositivos tales como fijadores externos, prótesis, y materiales de osteosíntesis como clavos, tornillos y placas reduciendo la necesidad de intervención y experimentación en el cuerpo humano. Al mismo tiempo es posible desarrollar y trabajar con modelos individualizados que consideren las características particulares de cada paciente. La simulación computacional permite estudiar el comportamiento mecánico del sistema hueso-implante que ayudan en la exploración y búsqueda de soluciones a problemas específicos antes de la intervención quirúrgica. Como consecuencia se mejora el resultado final de la operación. El reemplazo de articulaciones con secuelas de procesos degenerativos por prótesis artificiales se ha convertido durante las últimas décadas en una práctica habitual de la cirugía ortopédica. Dada la importancia de la vinculación del miembro superior con el medio que lo circunda, y la frecuencia de secuelas de accidentes y procesos degenerativos en el mismo, es que hemos centrado nuestra atención en este segmento esquelético. Se presenta en este trabajo el desarrollo de una metodología para la construcción de modelos de elementos finitos que sirven para el análisis del comportamiento mecánico de la estructura ósea del miembro superior,  con el objetivo de servir de asistencia a médicos ortopedistas y diseñadores de implantes óseos. Este trabajo forma parte de las actividades del proyecto PICT 12-14114 “Biomecánica de Implantes para Miembro Superior” patrocinado por la Agencia Nacional de Promoción Científica y Técnica que se desarrolla en la División Soldadura y Fractomecánica del INTEMA (UNMdP-CONICET) y en el que colaboran la  Clínica de Fracturas y Ortopedia y el Instituto Radiológico de Mar del Plata. Para entender un proceso biomecánico es necesario conocer del sistema: su geometría, los materiales que intervienen y sus propiedades, su funcionamiento, sus componentes, las ecuaciones matemáticas que gobiernan su comportamiento, sus soluciones y realizar el análisis de resultados. Los tejidos biológicos son estructuras complejas sometidas a una cantidad de estímulos externos como fuerzas mecánicas, señales eléctricas y calor. La estructura de estos  tejidos determina su comportamiento ante los diferentes estímulos. Además, las células pueden censar el estímulo y en consecuencia cambiar la estructura de los tejidos. Este trabajo se divide en cuatro secciones principales. La primera de ellas está dedicada a la biomecánica del tejido óseo. Se presentan en esta primera sección los conceptos básicos sobre la morfología, la composición y la microestructura del tejido óseo junto con la metodología propuesta para la determinación de las constantes elásticas del hueso a partir de su densidad. La segunda sección del trabajo tiene que ver con la Tomografía Axial Computada (TAC). Esta técnica es utilizada para recabar la información sobre la geometría y la densidad de los huesos. Es entonces que se exponen en la segunda sección los principios básicos de la TAC y el procesamiento de los resultados. En la tercera sección del trabajo se presenta la metodología para la construcción de los modelos de elementos finitos, detallándose el procedimiento desarrollado para la construcción de la geometría del modelo y la asignación de las propiedades del material. La última sección presenta un ejemplo de aplicación.